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CeRAM: Der neue Superspeicher?

| Autor: Michael Eckstein

„Correlated Electron Material RAM“ hat das Potenzial, die Speicherbranche umzukrempeln – davon ist die ARM-Ausgründung Cerfe Labs überzeugt. Und arbeitet mit Partner Symetrix an der wirtschaftlichen Umsetzung der auf quantenmechanischen Effekten basierenden Technik.

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Elektronenschalter: CeRAM macht sich den Quantenphasenübergang in kohlenstoffdotierten Übergangsmetalloxid-Materialien (Transition Metal Oxid, TMO) zunutze.
Elektronenschalter: CeRAM macht sich den Quantenphasenübergang in kohlenstoffdotierten Übergangsmetalloxid-Materialien (Transition Metal Oxid, TMO) zunutze.
(Bild: gemeinfrei / Pixabay )

ARM ist bekannt für seine omnipräsente Prozessor-IP, die in unzähligen Produkten steckt – vom Sensor über Staubsauger bis zum Supercomputer. Zuletzt stand das Unternehmen wegen der angekündigten Übernahme durch Nvidia in den Schlagzeilen.

Weit weniger bekannt ist, dass ARM auch Technologieforschung abseits seiner Prozessor-IP betreibt – etwa im Bereich Speicher. Konkret hat ARM in den letzten Jahren gemeinsam mit Symetrix, Spezialist für ferroelektrisches RAM (FeRAM), an der CeRAM-Technik gearbeitet. Die Abkürzung steht für „Correlated Electron Materials Random Access Memory“ und bezeichnet einen nichtflüchtigen Speichertyp (Non-Volatile Memory, NVM). Neben dem etablierten NAND-Flash tummeln sich viele weitere Techniken unter dem Begriff NVM, etwa MRAM, FRAM, PCRAM, ReRAM usw. Allen gemein ist, dass sie ihren Speicherinhalt auch ohne Betriebsspannung nicht vergessen.

Quantenmechanischer Elektronenorbital-Schalter

Die Initiatoren von CeRAM sprechen ihrer Technik ein enormes Potenzial zu: Demnach ist sie „ultimativ preiswert“, „ultraschnell“ (wenige Femtosekunden Schaltgeschwindigkeit), funktioniert in einem extrem weiten Temperaturbereich (siehe unten) und mit Schaltspannungen von unter 0,6 V.

Zudem sei die Technik kompatibel zu herkömmlichen CMOS-Prozessen, nahezu immun gegen Strom- und Spannungsspitzen, magnetische Felder sowie ionisierende Strahlung und ermögliche praktisch unbegrenztes Schreiben und Lesen der Speicherzellen. So gerüstet, sollen sich die Kosten für Speicher in allen möglichen Anwendungsbereichen drücken und die Zuverlässigkeit steigern lassen, vom Edge bis hin zu Hochleistungscomputern in Rechenzentren.

ARM will CeRAM-Entwicklung massiv forcieren

CeRAM hat quasi nur einen Nachteil: Es ist noch nicht als Produkt erhältlich. Das will ARM ändern und hat diesen offenbar vielversprechenden Forschungsbereich als eigenständiges Unternehmen in Austin/Texas mit dem Namen Cerfe Labs ausgegründet. Die bisherigen ARM-Research-Manager Eric Hennenhoefer und Greg Yeric werden Cerfe Labs als CEO und CTO leiten. Erklärtes Ziel ist es, auf der Basis der bisherigen Erkenntnisse neue CeRAM-Speicher sowie ferroelektrischer Transistoren (FeFETs) zu entwickeln und zu lizensieren. Symetrix bleibt als Entwicklungspartner an Bord.

„In den letzten fünf Jahren hat unser Forschungsteam große Fortschritte bei der Entwicklung der CeRAM-Technologie gemacht“, sagt ARM-CEO Simon Segars. Da ARM sich verstärkt auf sein IP-Kerngeschäft im Halbleiterbereich konzentriert, versetze man das Team von Cerfe Labs durch das Ausgliedern in eine Position, in der es dynamisch agieren und „erfolgreich an der Markteinführung dieser bahnbrechenden Technologie arbeiten“ könne.

„CeRAM ist der vielversprechendste nichtflüchtige Speicher der Branche“

Gegenüber dem Branchenportal „Semiconductor Engineering“ erklärt Yeric, dass Symetrix den neuartigen Speichertyp entdeckt hat, als sie korrelierte Elektronenschaltmechanismen (correlated electron switching mechanism) untersucht haben. Die Effekte sind bereits seit den 1940er-Jahren bekannt, bislang ist es jedoch nicht gelungen, diese wirtschaftlich nutzbar zu machen.

Sollte Cerfe Labs das schaffen, könnte das Unternehmen tatsächlich die gesamte Speicherbranche umkrempeln. „CeRAM ist der vielversprechendste nichtflüchtige Speicher der Branche mit Eigenschaften, die heute in keiner anderen Speichertechnologie zu finden sind“, sagt Hennenhoefer.

Besetzung der Elektronenorbitale bestimmt Widerstand

CeRAM macht sich den Quantenphasenübergang in kohlenstoffdotierten Übergangsmetalloxid-Materialien (Transition Metal Oxid, TMO) zunutze. Dieser Übergang bewirkt laut Symetrix aufgrund einer spannungs- und strominduzierten Verschiebung in der Besetzung der Elektronenorbitale, die jedes Metallion umgeben, eine enorme Widerstandsänderung. Andere TMO-basierte resistive Speicher beruhen auf der Bildung und dem Bruch von leitenden „Fäden“ im Speicherelement – ein Mechanismus, der in größeren Maßstäben bislang kaum zuverlässig zu kontrollieren ist.

CeRAM hingegen zeigt nach Angaben von Cerfe Labs ein stabiles Verhalten in einem sehr breiten Temperaturbereich von einigen wenigen bis mehreren tausend Grad Kelvin. Dies sei möglich, da Elektronenorbitalschalter adiabatisch sind, also beim Zustandswechsel keine Wärme mit ihrer Umgebung austauschen. Dieser Zustandswechsel soll beim Schreiben und Lesen zudem in wenigen Femtosekunden erfolgen – zumindest theoretisch: Mit ersten Testchips erreicht Cerfe Labs immerhin bereits 4 ns.

CeRAM hat viele Vorteile – theoretisch

Für die neue Technik sprechen auch die niedrigen nötigen Spannungspegel: Für das zuverlässige Programmieren reichen nach Angaben des Unternehmens Spannungen unter 0,6 V, für das Auslesen 0,2 V aus. Mit weiteren TMO sollen sogar noch niedrigere Spannungspegel möglich sein. Damit wäre CeRAM – anders als andere NVM-Techniken – kompatibel mit aktuellen CMOS-Logik-Transistoren. Hinzu kommt die Haltbarkeit: CeRAM soll praktisch keinem Verschleiß unterliegen und für über 1012 Schreib-/Lesezyklen gut sein.

Damit nicht genug: Laut Cerfe Labs lässt sich CeRAM sehr günstig herstellen und in herkömmliche CMOS-Prozesse integrieren. Demnach reicht ein Materialabscheidungsschritt bei der Wafer-Bearbeitung aus, um den nichtflüchtigen Speicher in ein IC zu integrieren – das wäre ideal zum Beispiel für kostensensitive IoT-Chips.

CeRAM soll sich aber auch mit präziseren Aufdampf- oder Atomlagen-Abscheidungstechniken herstellen lassen. Eine Skalierung sei mindestens bis hinunter zu 3-nm-CMOS-Knoten möglich. Damit trifft die Technik die Achillesferse aktueller NAND-Flash-Speicher. Diese lassen sich nicht beliebig nach unten skalieren, da irgendwann einfach nicht mehr ausreichend Ladungsträger für einen stabilen Betrieb in den einzelnen Speicherzellen vorhanden sind.

„Integrationskompatibel zu CMOS“

Die „Elektronenorbitalschalter“ lassen sich nach Angaben von Cerfe Labs mit einer Vielzahl von Materialien sowohl direkt in der Schaltebene als auch in den angrenzenden Elektroden herstellen. Die oberen und unteren Widerstandswerte der resistiven CeRAM-Elemente sollen sich zudem flexibel auf die Transistorpaare aktueller und auch zukünftiger CMOS-Prozess-Knoten abstimmen lassen. Das ist wichtig, um hohe Schaltgeschwindigkeiten bei möglichst geringem Energieaufwand zu erreichen.

Außerdem sei die Technik „integrationskompatibel zu CMOS“: Sie erfordere keine übermäßige Prozesstemperatur oder neue Prozesstechniken und überstehe problemlos alle nachfolgenden Temperaturzyklen etwa beim Reflow-Löten.

Temperaturinvarianz: „Luxus für Schaltungsentwickler“

„Allein aufgrund der Temperaturbeständigkeit erwarten wir, dass CeRAM neue Anwendungen der Mikroelektronik ermöglichen wird, für die es derzeit keine NVM-Option gibt – vom Kryo-/Quantenbereich mit extrem kalten Temperaturen bis hin zur Automobil-, Raumfahrt- und Leistungselektronik“, sagt Hennenhoefer. Im „üblichen Temperaturbereich für kommerziellen Anwendungen“ sei zudem die temperaturinvariante Widerstandscharakteristik von CeRAM ein bislang nicht gekannter „Luxus für Schaltungsentwickler“.

Cerfe Labs betont, dass CeRAM – anders als andere NVM-Techniken – alle oben genannten Eigenschaften ermögliche, ohne dass Kompromisse eingegangen werden müssten. Den praktischen Beweis muss die Technik allerdings noch antreten: Yeric weist darauf hin, dass sich CeRAM trotz der bereits jetzt vielversprechenden Ergebnisse noch im frühen Forschungsstadium befinde.

Noch ein weiter Weg bis zum kommerziellen Produkt

Bis jetzt gebe es noch keinen definierten Zeitrahmen für einen CeRAM-Prototypen. Wie Electronicsweekly.com berichtet, wird die CeRAM-Technologie derzeit im Rahmen einer Auftragsentwicklung mit Imec in Belgien für eine Fertigung auf 300-mm-Wafern mit einer Prozessintegration vorbereitet, die mit CMOS-Prozessknoten unter 14 nm kompatibel ist.

Wenn es Cerfe Labs tatsächlich gelingt, die CeRAM-Technik mit seinen vorteilhaften Eigenschaften zu kommerzialisieren, könnte dies den Speichermarkt gehörig durcheinanderwirbeln. ARM ist offenbar vom Erfolg überzeugt: Als Starthilfe und „Grundlage für eine Roadmap“ überträgt das Unternehmen rund 150 Patentfamilien an Cerfe Labs und übernimmt eine Minderheitsbeteiligung daran. Darüber hinaus wird der Chief Strategy Officer von ARM, Jason Zajac, Mitglied im Verwaltungsrat des Unternehmens.

Gegenüber Semiconductor Engineering betont Hennenhoefer, der bisher Vice President of Research bei ARM war, dass man sich bislang noch im Forschungsstadium befinde. Allerdings: „Wir haben das Team, wir haben das geistige Eigentum und alle Verträge, und wir haben genug Geld, um die Sache in Gang zu bringen. Bis zum fertigen Produkt liegt aber noch ein langer Weg vor uns.“

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