Neuer Weltraum-Speicher widersteht mehr Strahlung als Standard-Flash

Strahlung wirkt auf die eingeschlossenen elektrischen Ladungen ein, die die Daten speichern, und führt zu deren Korruption. Forscher am Georgia Tech haben eine Variante des NAND-Flash-Speichers entwickelt, der aus ferroelektrischen Materialien besteht und Strahlungswerten standhalten kann, die dreißigmal höher liegen als bei herkömmlichem NAND-Speicher.

Die Ergebnisse wurden in Nano Letters veröffentlicht. Warum Polarisation dort wirkt, wo Ladung versagt: Ferroelektrizität bezeichnet die Fähigkeit bestimmter Materialien, eine permanente, spontane elektrische Polarisation aufrechtzuerhalten.

Diese Polarisation speichert Daten anders als herkömmliche NAND-Speicher – und dieser Unterschied ist unter Strahlungseinwirkung entscheidend. „Wenn man herkömmlichen Flash-Speicher ins All schickt, kann die mit dem in der Flash-Speichertechnologie eingefangenen elektrischen Ladung wechselwirkende Strahlung die Daten leicht korrupt machen", sagte Asif Khan, Associate Professor an der School of Electrical and Computer Engineering der Georgia Tech, in einer Pressemitteilung. „Im Gegensatz dazu speichert ferroelektrischer NAND-Flash-Speicher Daten nicht als eingefangene elektrische Ladung, sondern als Polarisation im Material.

Technik, Energie und Einsatz

Und Polarisation ist gegenüber Strahlungseffekten sehr robust." Das Material, das dies ermöglicht, ist Hafniumoxid, eine siliziumkompatible Verbindung, in der Ferroelektrizität vor 15 Jahren erstmals entdeckt wurde. Khan's Laboratorium hat das letzte Jahrzehnt damit verbracht, seine Fähigkeiten zu ermitteln.

Dennoch war der Grad der Strahlungstoleranz, den die neue Architektur demonstrierte, für das Team eine Überraschung.

Was die Tests zeigten: Lance Fernandes, ein Doktorand im Bereich Elektrotechnik und Informatik sowie Erster Autor der Publikation, fertigte die ferroelektrischen NAND-Chips in Reinräumen der Georgia Tech an und sandte sie an Kooperationspartner der Pennsylvania State University zur Strahlungstestung.

Technik und Auswirkungen

Die Chips vertrugen bis zu einer Million Rads – also Strahlendosen – was 100 Millionen Röntgenstrahlen entspricht.

Dieser Wert umfasst den gesamten Strahlungsbereich, den Raumfahrzeuge antreffen: Satelliten in niedrigen Erdumlaufbahnen benötigen eine Toleranz zwischen 5.000 und 30.000 Rads; geostationäre Umlaufbahnen erfordern Werte zwischen 100.000 und 300.000 Rads; Tiefraummissionen erreichen eine Million Rads. „Für die Datenspeicherung im Weltraum reicht es nicht aus, dass das Speichermedium funktioniert. „Es muss auch unter extremen Strahlungsbedingungen zuverlässig bleiben", sagte Fernandes. „Und was unsere Speicherlösung besonders spannend macht", fügte Khan hinzu, „ist, dass ferroelektrischer NAND-Flash nicht nur strahlungstolerant ist, sondern auch in extremen Strahlungsumgebungen seine Zuverlässigkeit behält.

Genau das brauchen wir für den Weltraum." Die Forschung wurde durch SUPREME unterstützt, das Teil des JUMP 2.0-Programms der Semiconductor Research Corporation ist und, sowie durch die Defense Threat Reduction Agency im Rahmen des US-Verteidigungsministeriums.