Daten speichern mit Licht

Klassische elektronische Computer-Architekturen stoßen zunehmend an ihre Grenzen. Forscher haben jetzt eine Möglichkeit vorgestellt, Daten dauerhaft mit Hilfe von Licht zu speichern – und möglicherweise auch zu verarbeiten.

Im Rennen um immer höhere Geschwindigkeit haben manche Computer-Hersteller begonnen, zum Datentransport innerhalb ihrer Geräte statt Strom Licht zu verwenden. Jetzt haben Forscher ein viel versprechendes neues Konzept vorgestellt, mit der sich Licht auch zur Speicherung von Informationen auf einem Chip nutzen ließe – sogar ohne Stromversorgung.

Informationen mit Licht statt mit Strom zwischen dem Speicher eines Computers und seinem Prozessor zu transportieren, könnte den Weg zu weitaus schnelleren und energieeffizienteren Maschinen bereiten. Bislang allerdings müssen optische Signale in elektrische umgewandelt und Informationen elektronisch gespeichert werden, was im Vergleich zur Geschwindigkeit moderner Prozessoren relativ langsam vonstatten geht. Der neue "komplett photonische" Speicher dagegen ist laut seinen Erfindern ein Schritt zu Systemen, die Daten effizienter transportieren und speichern. Er hat mit den sogenannten Phasenübergangsmaterialien GST die gleiche Basis, die auch bei wiederbeschreibbaren CDs und DVDs zum Einsatz kommt.

Schon früher wurden photonische Speicher auf Chips präsentiert, aber die waren flüchtig und brauchten eine ständige Versorgung mit Licht. Das neue Konzept ist damit das erste nichtflüchtige "on chip"-System. Es benötigt also keine ständige Energiezufuhr und kann Daten ähnlich wie heutige Festplatten dauerhaft speichern. Basis der Technologie sind sogenannte Phasenübergangsmaterialien, die sich mit Lichtimpulsen in zwei unterschiedliche Zustände bringen lassen: entweder sind ihre Atome geordnet, also kristallin, oder sie liegen in ungeordneter Form – amorph – vor. Mit Hilfe dieses Effekts konnten die Forscher Informationen speichern und auslesen.

Ein spezielles Merkmal des Materials macht es für Datenspeicherung besonders geeignet. Wie die Forscher zeigten, lässt es sich auch in gemischte Zustände bringen, zum Beispiel zu 10 Prozent kristallin und zu 90 Prozent amorph. Dadurch stehen mehr als nur zwei Zustände zur Speicherung zur Verfügung. Also kann man auf derselben Fläche "weitaus mehr Informationen unterbringen", sagt Harish Bhaskaran, Professor für Materialwissenschaft und Experte für Nanotechnik an der University of Oxford, der das Projekt zusammen mit Wolfram Pernice von der Universität Münster geleitet hat.

Auf kürzere Sicht könnte eine solche Speichertechnologie die Performance von Rechenzentren steigern und damit die mit Hilfe von Cloud-Computing möglichen Anwendungen erweitern. Mehrere große Unternehmen arbeiten bereits an Systemen, bei denen Licht innerhalb eines Chips mit Wellenleitern gelenkt oder mit optischen Kabeln wie in der Telecom-Industrie von Chip zu Chip befördert wird. Laut Bhaskaran eignet sich das neue Speicherkonzept für die Verwendung von Wellenleitern ebenso wie für Glasfaserleitungen.

Noch ist die Technologie vom kommerziellen Einsatz weit entfernt – die Forscher haben nur gezeigt, dass sie einige Bits schreiben und lesen konnten. Um zu verstehen, wie sie sich am besten einsetzen lässt, ist noch weitere Forschung und Entwicklung erforderlich.

Ein Weg, den Bhaskaran und Pernice einschlagen wollen, ist die Beschäftigung mit neuartigen Computer-Architekturen, die Informationen möglicherweise sogar ähnlich verarbeiten könnten wie das Hirn. So ließen sich die grundlegenden Grenzen für Tempo und Effizienz bei traditionellen Computern überwinden. Laut Bhaskaran lässt sich die Technik, mit der bei dem Projekt die gemischten Zustände des Phasenwechsel-Materials zur Speicherung eingesetzt wurden, auch für einfache arithmetische Operationen wie etwa Zählen nutzen – "und wenn man fortlaufend zählen kann, kann man auch rechnen".

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