Alternative digitale Datenspeicher PCM, FRAM, MRAM & Co: Markt für neue Speichertechniken wächst

Redakteur: Michael Eckstein

44 Milliarden US-Dollar im Jahr 2031: Im nächsten Jahrzehnt wird der Markt für nichtflüchtige Alternativen zu heute üblichen Speichertechniken wie SRAM, DRAM und NOR-Flash stark wachsen. Davon gehen die Branchenexperten Dr. Thomas Coughlin und Jim Handy aus. Interessant: Sie sagen Intels 3D-XPoint („Optane“) eine große Zukunft voraus.

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Nicht flüchtig: Intels Optane-Riegel auf Basis von 3D-XPoint-Phasenwechselspeicher eignen sich als Ersatz für oder Ergänzung zu herkömmlichen DRAM-Bausteinen.
Nicht flüchtig: Intels Optane-Riegel auf Basis von 3D-XPoint-Phasenwechselspeicher eignen sich als Ersatz für oder Ergänzung zu herkömmlichen DRAM-Bausteinen.
(Bild: Intel Corporation)

PCM, FRAM, MRAM, STT-RAM oder auch ReRAM: Es gibt einige vielversprechende nichtflüchtige Speichertechniken, die an der Schwelle zu massenhafter kommerzieller Nutzung stehen. Davon ist Dr. Thomas Coughlin, President des Marktanalysten Coughlin Associates, überzeugt: „Dies ist ein Halbleitermarkt, den es in den nächsten zehn Jahren zu beobachten gilt.“

Für seinen kürzlich veröffentlichten Bericht „Emerging Memories Take Off“ hat er in Zusammenarbeit mit Jim Handy von Objective Analysis ermittelt, dass aufstrebende Speichertechniken derzeit einen Wachstumsschub erfahren und bis 2031 zu einem Markt mit einem Volumen von etwa 44 Milliarden US-Dollar heranwachsen werden. Coughlin ist sicher: „Diejenigen, die in diesem Markt eine Rolle spielen, können mit einem signifikanten Wachstum rechnen.“

Bessere Reaktionsfähigkeit, nichtflüchtig, geringerer Stromverbrauch

Dabei geht er davon aus, dass die aufstrebenden Techniken nach und nach aktuelle Technologien wie NOR-Flash, SRAM und DRAM verdrängen werden. Entwickler und Anwender von System-on-Chips (SoCs) integrieren die neuen nichtflüchtigen Speicher bereits in ihre Designs, um beispielsweise einen geringeren Stromverbrauch ihrer Komponenten zu erzielen. Größter Schwachpunkt vieler neuer nichtflüchtiger Speichertechniken (Non Volatile Memory, NVM) ist bis dato ihre im Vergleich zu Flash niedrige Speicherdichte.

Ein Beispiel für die Nutzung neuartiger Speicher ist STMicroelectronics (ST): Seine neuen Stellar-Mikrocontroller für den Automotive-Markt stattet der Hersteller mit bis zu 20 MByte Embedded Phasenwechselspeicher (Embedded Phase-Change Memory, ePCM) aus. Dieser besteht aus einer Germanium-Antimon-Tellurium-(GST)-Legierung.

Das Material kann, angestoßen durch kontrollierte Hitzeimpulse eines Wärmeelements, zwischen amorphem und polykristallinem Zustand wechseln und so seine physikalischen und elektrischen Eigenschaften ändern. Im amorphen Zustand ist der elektrische Widerstand hoch, im polykristallinen Zustand niedrig. Diese Zustände entsprechen den Logikwerten 0 und 1. Laut ST funktioniert der Speicher bei Temperaturen von bis zu +165 °C und erfüllt die Anforderungen der Norm AEC-Q100 Grad 0.

Neue Techniken als Embedded-Speicher und separate Komponenten

Coughlin geht davon aus, dass die neuen Technologien nicht nur in MCUs, ASICs oder auch Prozessoren eingebettet werden, sondern später auch als separate Speicherchips erhältlich sein werden. Darüber hinaus „werden sie neue, eigenen Märkte schaffen“, ist der Experte überzeugt. Speicherhersteller und Foundries müssten in diese Technologien einsteigen, wenn sie bei dieser Entwicklung nicht auf der Strecke bleiben wollten. „Unternehmen, die sich diese Technologien früh zu eigen machen, werden hingegen einen erheblichen Marktvorteil erreichen“, glaubt Coughlin.

Ein Hauptgrund für die zunehmende Akzeptanz der neuen Speichertechniken sie, „dass sie Vorteile bieten, die bisher nicht verfügbar waren“, sagt Jim Handy, General Director von Objective Analysis. Sie würden dazu beitragen, zum Beispiel wegen ihres extrem niedrigen Stromverbrauchs das Internet der Dinge zu revolutionieren. Schon würde die Architektur auch größerer Systeme angepasst, „um persistente Speicher zur Verbesserung der Latenz und Datenintegrität einzusetzen“.

Wird Intels 3D-XPoint zum großen Gewinner?

In ihrem Bericht erklären die Autoren, wie allein der von Intel und Micron entwickelte PCM-Speicher 3D-XPoint bis 2031 einen Umsatz von über 20 Milliarden US-Dollar erreichen könnten. Intel setzt 3D-XPoint in seinen Optane-Produkten ein, die unter anderem als Ersatz oder Ergänzung zu herkömmlichem flüchtigen wahlfreien Zugriffsspeicher (Random Access Memory, RAM) zum Einsatz kommen. Grundsätzlich eröffnet solch neuartiger Arbeitsspeicher die Möglichkeit, Arbeits- und Massenspeicher zu verschmelzen, was langfristig tiefgreifende Architekturänderungen beispielsweise bei PCs und Betriebssystemen nach sich ziehen könnte.

Handy und Coughlin schätzen, dass die Umsätze mit Standalone-MRAM und STT-RAM auf etwa 1,7 Milliarden US-Dollar steigen werden, was mehr als dem 42-fachen der Standalone-MRAM-Umsätze von 2020 entspricht. Gleichzeitig würden Embedded ReRAM und MRAM den Großteil des eingebetteten NOR und SRAM in SoCs ersetzen, was ein noch größeres Umsatzwachstum zur Folge haben werde.

Massive Auswirkungen auf Markt für Produktionsanlagen

„Viele dieser aufkommenden Speichertypen erfordern den Einsatz neuer Produktionswerkzeuge, die unterschiedliche Materialien und abweichende Prozesse unterstützen“, sagt Coughlin. Dies werde dem Markt für Investitionsgüter einen Wachstumsschub geben. Coughlin geht davon aus, dass „der Gesamtumsatz mit MRAM-Fertigungsanlagen auf mehr als das Hundertfache des Wertes von 10 Millionen Dollar im Jahr 2020 ansteigen wird.“ In zehn Jahren würde er gut 1,1 Milliarden Dollar erreichen.

In ihrem umfangreichen Bericht untersuchen Coughlin und Handy nicht nur PCM, ReRAM, FRAM und MRAM, sondern auch eine Vielzahl weniger gängiger Technologien und erläutern deren Stärken und Schwächen. Die Autoren haben dafür nach eigenen Angaben Chiphersteller, Technologielizenzgeber, Foundries, Hersteller von Produktionswerkzeugen und Forschungskonsortien unter die Lupe genommen.

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