Forscher speichern Daten mit Licht

Rechner, die mit Licht statt mit Elektronen operieren, sind in der Forschung einer der Anwärter auf die heutige Computertechnologie. Wissenschaftler der Universitäten in Oxford, Münster und Karlsruhe haben es jetzt geschafft, Daten erstmals so mit Licht auf einem Chip zu speichern, dass sie auch ohne Energiezufuhr auslesbar bleiben. Das System funktioniert mit Materialien, deren optische Eigenschaften mit Laserpulsen manipuliert werden können. Durch Licht lassen sich sogenannte Phasenübergangsmaterialien zwischen einem transparenten und einem undurchsichtigen Zustand hin und her schalten. Ähnliches passiert auch beim Beschreiben einer CD. Der Prozess funktioniert in beide Richtungen.

Im Labor haben die Forscher bewiesen, dass sie mit einem solchen System Bits schreiben und anschließend auslesen können. “Wir haben Ge2Sb2Te5, auch bekannt als GST, für unsere Demonstration verwendet und konnten darauf drei Bits schreiben”, sagt Carlos Rios Ocampo, einer der beteiligten Forscher aus Oxford, gegenüber der futurezone. Bei dem Laborversuch handelt es sich allerdings nur um einen ersten Schritt in Richtung nutzbarer Systeme. Wie hoch die Speicherdichte eines solchen optischen Laufwerks sein könnte, ist ebenfalls unklar. “Die Systeme sind derzeit größer als bestehende elektronische Speicher. Das können wir aber teilweise durch das Lesen und Schreiben in mehreren Schichten des Materials ausgleichen. Wie viele Daten wir pro Raumeinheit speichern können, muss erst durch Experimente im größeren Maßstab getestet werden”, sagt Ocampo.

Vielversprechend

Was die Geschwindigkeit der Lese- und Schreibzugriffe angeht, ist ebenfalls noch weitere Arbeit nötig. Das System schreibt Daten mit stärkeren Laserpulsen, die einen Phasenwechsel bewirken. Zum Auslesen wird ein Laser mit weniger Energie verwendet. “Der Lesezugriff ist so schnell, wie der verwendete Detektor. Wir haben Pulse mit 500 Pikosekunden Länge verwendet, mit schnellerem Equipment kann das aber noch beschleunigt werden, das Schreiben ist durch die Phasenwechselgeschwindigkeit limitiert. Wir haben Laserimpulse mit zehn Nanosekunden Länge verwendet. Neuere Publikationen legen nahe, dass die Materialien innerhalb niedriger zweistelliger Pikosekundenintervalle schalten. Das wäre das theoretische Maximum für das Beschreiben”, sagt der Forscher.

GST ist laut den Forschern äußerst widerstandsfähig und sollte Daten auch bei 70 Grad Celsius noch 185 Jahre lang speichern können. “Größere Systeme könnten Daten sogar tausende Jahre speichern”, sagt Ocampo. Allerdings leidet das Material, wenn es oft wiederbeschrieben wird: “Das kennen wir aus Versuchen, bei denen Strom statt Licht zum Umschalten verwendet wurde. Dort sind eine Billion Phasenübergänge der Rekord.” Die Forscher haben bei ihren Versuchern auch festgestellt, dass es möglich ist, mehrere Zustände zwischen transparent und undurchsichtig herzustellen und wieder auszulesen. Das könnte die Datendichte aber stark steigern.

Kein Auslieferdatum

“Wir haben in unserem Experiment insgesamt acht verschiedene Zustände demonstriert. Mit einem größeren System wären aber auch mehr möglich”, sagt Ocampo. Um solche Speicher optimal nutzen zu können, sind allerdings neue Ansätze notwendig. “Wir haben vor allem an Nicht-Von-Neumann-Architekturen gedacht”, erklärt Ocampo. Die Bausteine für die neue Speichertechnologie lassen sich günstig herstellen. Sowohl GST als auch Silizium sind günstig verfügbar. Allerdings ist die Herstellung selber nicht trivial. “In so kleinen Maßstäben zu schreiben kann teuer werden. Zudem müssen wir die Geschwindigkeit noch verbessern”, sagt Ocampo. Wann die Technologie marktreif sein wird, lässt sich aus heutiger Sicht noch nicht abschätzen.