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Samstag, 23. Februar 2019

Mobile World Congress

Wettlauf der Technologien für nichtflüchtige Halbleiterspeicher

Von Werner Schulz | 6. März 2015 | Ausgabe 10

Tragbare vernetzte Elektronik, wie sie bis gestern auf der weltgrößten Mobilfunkmesse in Barcelona zu sehen war, braucht energieeffiziente, nichtflüchtige Speicher. Dafür stehen einige neue Techno- logien in den Startlöchern

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Foto: Jens Billerbeck

Smartwatches sind ein Beispiel für tragbare Elektroniksysteme. In den winzigen Geräten müssen auch die Speicherchips klein und besonders sparsam sein. Da stoßen etablierte Chiptechniken an Grenzen.

Seit 45 Jahren dominieren die Drams (Dynamic random access memory) in ihren aktuellen Varianten als Standard-Speicherchips oder eingebettet in komplexe Systems-on-Chip als Arbeitsspeicher die Datenverarbeitung: von großen Servern bis zu hin zu PCs, Tablets und Smartphones.

Der Speichermarkt

Drams sind schnell, einfach aufgebaut (nur ein Kondensator als Ladungsspeicher) und dank Massenfertigung kostengünstig. Ihr Manko: Sie sind flüchtige Speicher. Ohne ständige Auffrischung verlieren sie ihren Inhalt. Kaum besser in dieser Hinsicht sind die Srams (Static Rams): Sie bewahren zwar, etwa zum Systemstart von PCs, über eine Pufferbatterie ihre Inhalte, doch mit ihren komplexen Speicherzellen halten sie bei der Skalierung der Chips nicht Schritt – auch wenn Intel gerade ein Sram-Design mit 14-nm-Strukturen angekündigt hat.

Nichtflüchtige Speicher (non-volatile memory, NVM) als schnelle, kompakte, langlebige und kostengünstige Rams sind also mehr denn je gefragt. Dazu existieren mehrere vielversprechende Ansätze. Vor zehn Jahren galten die Phase-Change-Memories (PCMs) als bestgeeignete Dram-Nachfolger. Ihr Prinzip beruht auf der Änderung des elektrischen Widerstands eines Speichermediums beim Phasenübergang von kristallin zu amorph.

Doch inzwischen scheinen sich die Aussichten von PCMs mit dem breiten Aufkommen der leichter skalierbaren Flash-Speicher eher zu verdüstern. Die wichtigsten Anbieter, Micron und Samsung, haben die PCM-Entwicklung eingestellt. Statt auf PCM fokussiert Micron laut dem französischen Marktforschungsunternehmen Yole Développement nun zusammen mit Sony auf die Resistive-Ram-Technologie (Rram). Sie basiert ähnlich dem PCM auf Widerstandsänderung in einem Dielektrikum. Erstes Produkt: ein Baustein mit 16 Gbit.

Ein weiterer aktiver Rram-Player ist Adesto im kalifornischen Sunnyvale mit dem Cbram (Conductive Bridge Ram), basierend auf Entwicklungen von Axon, Qimonda und der Arizona State University. Der ist bis auf 1 Mbit Speicherumfang gediehen. Nicht ganz so weit sind eingebettete Cbram-Designs (hier ist auch Panasonic aktiv), die noch unterhalb 1 Mbit stehen. Adesto und Panasonic, sagt Yann de Charentenay, der Autor der Yole-Studie, zielen speziell auf Anwendungen mit geringem Leistungsbedarf, etwa in Wearables für das Internet der Dinge.

Die Rram-Verfechter stehen im scharfen Innovationswettlauf mit einem anderen nichtflüchtigen Speicherprinzip: dem magneto-resistiven Ram (Mram). Auch das ist ein Technologieklassiker, der in diversen Varianten seit 25 Jahren auf seine Stunde wartet. Generell basiert das Speicherprinzip von Mrams nicht auf Elektronenladungen in Speicherzellen, sondern auf der Nutzung des Elektronenspins als Speicherkriterium.

Beim Mram hat eine vom Marktführer Everspin in Arizona entwickelte Technologie namens STT-Mram (STT steht für spin-transfer torque) derzeit gute Karten gegenüber dem Rram, insbesondere in großen kommerziellen Datenspeichern. Diese Mrams könnten zunächst als schneller Zwischenspeicher (Cache) punkten. Das soll das Problem der Latenz ausgleichen, also der Verzögerungen beim großvolumigen Datentransfer zwischen Arbeitsspeicher und den um den Faktor 10 000 langsameren Festplatten.

Ab 2020, so folgert der Yole-Report, kann STT-MRam die heutigen Dram-Lösungen ersetzen. Auch die offizielle Halbleiter-Roadmap sieht bei Strukturdimensionen von 15 nm das Ende der Drams gekommen und ruft STT-Mram als eine der nächsten Evolutionsstufen der Arbeitsspeicher aus.

Für die Mrams spricht, dass sie zu den existierenden Wafertechnologien kompatibel sind. Doch müssten sich ihre Fertigungskosten in gesunder Relation zu Drams entwickeln. Übrigens steht für die heute aktuellen Flash-Massenspeicher mit ihrem recht hohen Leistungsbedarf eine Ablösung bereit: die Rrams.