Auch eine disruptive Technik hat Wurzeln in der Vergangenheit, Teil 2 Viele Hoffnungsträger drängen auf den Halbleiterthron

Autor / Redakteur: Hermann Strass / Stefan Liebing

Die Zeitspanne zwischen zwei Flash-Generationen ist durch den Zwang des Go-to-market häufig zu kurz. Deshalb verdoppelt sich im Laufe einer Entwicklungsphase die Kapazität zwischen den Generationen immer seltener, häufig reicht es nur noch für eine 50-prozentige Steigerung. Die alternative Produktionstechnik steht jedoch immer bereit.

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Beispiel einer FeRAM-Zelle
Beispiel einer FeRAM-Zelle
(Grafik: 1T FeRAM cell structure.svg / Cyferz, Wikimedia Commons / BY-SA 3.0)

Fünf Quartale dauert es derzeit bis ein neues Flash Storage Update auf den Markt geworfen wird. Kenner der Szene erwarten, dass das noch einige Generationen so weitergehen wird. Doch die Zeit für Alternativen scheint zu kommen. Der große Umbruch steht bevor.

(Grafik: Yolé Développement)

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Eine Studie von Yolé Développement über Non Volatile Memory (NVM) zeigt, dass die Halbleiterindustrie sich genötigt sieht, die Zeitpläne für ihre diversen nichtflüchtigen Speicherbausteine offenzulegen.

Die Grafik von Yolé Développement vermittelt den Eindruck, dass die favorisierten NVM-Medien eigentlich schon alle auf dem Markt sind und in den Branchen Massenspeicher, Mobilfunk, Enterprise Cache, embedded Controller und Automobilindustrie schon seit 2011 eingesetzt werden.

2014 beginnt die heiße Phase

Das waren jedoch, z. B. bei Phase Change Memory (PCM), nur Fingerübungen mit geringen Kapazitäten, die keine Reorganisation des Produktionsprozesses erforderten, und mit denen man unkritische Speicherbedürfnisse bedient hat. Dass heißt, es wird nicht vor 2014 ernst bei MRAM und PCM. Frühestens 2015 scheint RRAM in den Wettstreit eintreten zu wollen oder zu können.

Man sollte solche Grafiken jedoch nur als Trend zur Kenntnis nehmen und nicht meinen, hier würden präzise Aussagen über die spätere Verfügbarkeit gemacht. Der kleine Hinweis am rechten Rand über die Lieferfähigkeit von Testmustern zeigt zudem, dass auf den Produktionsstart noch eine Karenzzeit von 12 bis 18 Monaten zu schlagen ist.

Zu berücksichtigen ist ebenfalls, dass in solchen Grafiken nur die hoffnungsträchtigsten Techniken präsentiert werden und viele weitere Kandidaten gar nicht auftauchen. Nachfolgend geben wir eine technische Einschätzung über die "gehypten" und weitere Hoffnungsträger.

RRAM, ReRAM (Resistive RAM)

ReRAM nutzt die Widerstandsänderung des Materials gegenüber Elektronen. Geforscht wird daran seit den 1960er-Jahren. ReRAM wird wegen der hohen Schreibgeschwindigkeit geschätzt. Allerdings wird für einen erfolgreichen Einsatz die derzeit noch sehr teure EUV-Technik benötigt.

Toshiba plant zeitgleich mit BiCS auch ReRAM mit etwa gleicher Kapazität anzubieten. Ende 2011 stellte die IMEC-Organisation (Belgien) eine RRAM-Zelle der Größe 10 nm x 10 nm vor. Die "endurance" wird mit einer Milliarde Zyklen angegeben. Tests zeigen eine Datenspeicherfähigkeit von 10 Jahren bei 100 °C ohne Stromzufuhr.

MRAM, STT-MRAM (Spin Transfer Torque-MRAM), NV-RAM

Diese Technik beruht auf dem magnetischem Spin (Drehimpuls). Für MRAM wird auch die Bezeichnung "universal memory" verwendet, weil es die Speicherdichte von DRAM mit der Geschwindigkeit von SRAM und mit der Nicht-Flüchtigkeit von Flash vereint.

Toshiba, Erfinder der Flash-Technik, will mit MRAMs die Leistungsaufnahme von Prozessoren um zwei Drittel senken, wenn die bisher im Chip verwendeten SRAM-Speicher durch MRAM (STT) ersetzt werden. Durch senkrechte Magnetisierung (perpendicular magnetization) wird eine Speicherzelle von 30 nm möglich. Bis große Kapazitäten erreicht werden, dürften noch einige Jahre vergehen. Probleme bereiten die Taktung, der Stromverbrauch im aktiven Zustand und die Bandbreite. MRAMs werden derzeit von mehreren Firmen angeboten oder lizenziert.

PRAM, PCRAM, PCM (Phase-Change Memory)

Die Technik des Umschaltens zwischen einem amorphen (hoher Widerstand) und einem kristallinen Zustand (niedriger Widerstand) beispielsweise mit Chalkogeniden (MoS2 oder GST = Gallium Antimon, Tellur) wurde schon in den 1920er-Jahren entdeckt und in den 1950er bis 1960er Jahren sowohl unter optischen (CD) als auch elektrischen (PCRAM) Gesichtspunkten untersucht. Als PCM ('phase change memory') wird die optische Variante schon seit vielen Jahren für CDs und DVDs genutzt.

Numonyx (Micron) und Samsung liefern PRAMs die sich wie NOR-Speicher verhalten. Es können aber auch einzelne Bits geändert werden. PRAMs haben kurze Programmierzeiten und lange Lebensdauer. IBM arbeitet insbesondere an PRAM-MLCs. Weil es keine Bitzellen mit darin eingesperrten Elektronen gibt, kann PCM leichter verkleinert werden (die shrink).

Man benötigt aber einen relativ hohen Reset-Strom. Micron produziert PRAMs in verschiedenen Varianten, u. a. gemeinsam mit DRAM in einem Chip. SK Hynix hat mit IBM ein Abkommen über die gemeinsame Entwicklung von PRAM geschlossen. Samsung fertigt seit 2010 ein PRAM, welches aber nicht als diskretes Bauelement erhältlich ist.

Sekundäre Hoffnungsträger

FRAM, FeRAM (Ferroelectric RAM)

Eine Schicht aus ferroelektrischem Material speichert die Ausrichtung der Ionen im Kristall, die durch Spannungsänderung eine Feld-und Polarisationsänderung erzeugt. Mit FRAM können sehr hohe Schreibgeschwindigkeiten, viele Schreib-/Programmierzyklen und ein besonders niedriger Stromverbrauch erreicht werden. Hersteller sind derzeit Fujitsu (seit über 10 Jahren), Lapis Semiconductor, und Ramtron (seit 20 Jahren).

PMC (Programmable Metallized Cell)

Die Arizona State University (ASU) hat eine weitere NVM-Technik unter der Bezeichnung PMC entwickelt. Ionen werden in einem festen Elektrolyt zwischen zwei Metall-Elektroden verschoben. Je nachdem, ob ein winziger Nanodraht in dem Elektrolyt gebildet wird ("1"), entsteht eine gut leitende Verbindung (geringer Widerstand), oder nicht ("0").

Diese Technik soll eine längere Lebensdauer, niedrigeren Stromverbrauch und höhere Speicherdichte bieten. Infineon hatte diese Technik im Jahr 2004 mit der Bezeichnung "conductive-bridging RAM" (CBRAM) lizenziert. Die NEC-Variante heißt "Nanobridge" und die Sony-Variante "electrolytic memory". Auch Axon Technologies (ein Spin-off von ASU) und Micron Technology haben PMC lizenziert.

NVDIMM Technology

Die NVDIMM-Technik von Micron wird mit den üblichen Vorzügen beworben. Im Normalbetrieb ist der Speicher ein DRAM. Bei Stromausfall wird dessen Inhalt automatisch in ein On-board-Flash übernommen. Als Stromquelle wird ein Ultracapacitor benutzt. Ist die Stromversorgung wieder aktiv, dann wird der Flash-Inhalt innerhalb von Sekunden in das DRAM zurückgespeichert. Erste Muster sind von Micron für Anfang 2013 geplant.

Aussichten

Neben den hier beschriebenen Verfahren, Architekturen und Alternativen gibt es noch eine große Vielzahl weiterer Entwicklungen. Beim derzeitigen Stand der Technik ist deren Komplexität schon jetzt sehr groß und sie wird noch zunehmen.

Dies ist mit ein Grund, warum es viele Jahre dauert, bis einerseits wesentliche Verbesserungen der herkömmlichen Technik und erst recht neue Verfahren und Produkte marktreif werden. Die Fortschritte jeder Alternative erfolgen mit wechselnden Geschwindigkeiten, die jede Vorhersage ad absurdum führen.

Das Marketing hat dadurch viel Material für wechselnde Schlagzeilen und erzeugt eine Erwartungshaltung über die Fähigkeiten der nächsten Supertechnik, die nie zu halten ist.. Das dient vor allem der Selbstdarstellung der "industrieführenden" Unternehmen und ihrer Fähigkeit auf allen Hochzeiten zu tanzen.

Hier noch einige Einschätzungen von führenden Magazinen und Herstellern der Halbleiterszene:

  • Die amerikanische Fachzeitschrift EETimes erwartet den Beginn der 15-nm-Produktion von NAND-Flash im Jahr 2015.
  • SanDisk erwartet, dass Flash die Festplatten im Jahr 2020 überholen wird. Das soll mit 3D-ReRAM möglich werden. ReRAM soll ab 2017 die 3D-NAND-Technik ablösen.
  • Samsung begann im Oktober 2012 mit der Produktion des "64GB eMMC Pro Class 2000" genannten Flash-Chips. Dessen Schnittstelle soll Anfang 2013 beim Joint Electron Engineering Council (JEDEC) zur Normung eingereicht werden.

Viel Spekulationsmaterial

  • Experten erwarten, dass bei Einführung von 3D-Flash die Strukturgröße zunächst größer sein wird als die dann übliche Strukturgröße für Flash in Planartechnik (2D). Die Hersteller werden sich erst später an die kleineren Strukturgrößen herantasten. 3D-NAND soll also in 2X-Technik beginnen und zwei oder drei Jahre später in 1X-Technik weitergeführt werden. Danach wird über PCM oder RaceTrack spekuliert.
  • RaceTrack ist eine bei IBM entwickelte weitere sequenzielle Speichertechnik, ähnlich wie sehr viel früher Blasenspeicher ("bubble memory") oder Twistor.
  • Toshiba will Muster von BiCS in 2013 zur Verfügung stellen. Die Chips werden in 16-Lagen-Technik hergestellt. Die Serienproduktion soll dann in 2015 beginnen. Weitere Verdoppelungen der Speichermenge sind in Planung.
  • Toshiba zeigt, dass in seinen "normally off" STT-MRAMs bis zu 90 Prozent weniger Strom verbraucht wird als mit herkömmlichen STT-MRAMs.
  • Mehr als zwei Dutzend Firmen forschen und experimentieren mit PRAM (PCM).
  • Schon 2008 wurden verschiedene Kohlenstoffarten, wie amorphes Carbon, isolierter Kohlenstoff und Carbon-Nanoröhrchen auf ihre Eignung als Speichermedium untersucht. Damals zeigte isolierter Kohlenstoff die besten Eigenschaften (große Widerstandsänderung). Carbon-Nanoröhrchen erwiesen sich in 2009 ebenfalls als gut geeignet. Test-Wafer aus amorphem Carbon in Scheiben von 200 mm oder 300 mm Durchmesser kann man in verschiedenen Ausführungen kaufen.

Bei so vielen möglichen Varianten werden zwangsläudig viele "Fußkranke" an den Konkurrenz scheitern. Bekanntere Beispiele für nicht realisierte, aber über viele Jahre immer wieder nach vorn geschobene Kandidaten waren Magnetblasenspeicher oder IBMs Versuch mit der "Nanolochkarte" Millipede.

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Selbstheilung

Die begrenzte Lebensdauer von Flash-Speicher macht bei USB-Sticks kein Problem, wohl aber bei Smartphones, SSDs oder Tablets. Forscher der Firma Macronix haben eine Möglichkeit entwickelt mit Hitze die Lebenszeit der Chips im Betrieb zu verlängern. Damit sollen über 100 Millionen Lösch-/Schreib-Zyklen erreicht werden. Wann diese Technik serienreif sein wird, ist noch nicht bekannt.

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Spintronik

Werden ein oder mehrere Elektronen nach ihren Spins (magnetische Drehrichtungen) ausgerichtet, dann wird dies allgemein als Spintronik bezeichnet. MRAMs sind Beispiele wie diese Technik genutzt wird.

Allerdings wird hier die elektrische Widerstandsänderung je nach Spin genutzt. An der Univerität Cambridge (UK) wurde jetzt erstmalig ein Spintronik-Chip hergestellt, bei dem der Spin für die Ein- und Ausgabe direkt mit Spin-basierter Logik zusammenarbeitet.

Inzwischen gibt es Spin-Techniken bei denen die gleiche Wirkung durch eine halbe Spin-Drehung (ca. 90°) erzeugt werden kann, anstatt wie bisher bei einer ganzen Drehung (180°). Außerdem kann der (magnetische) Spin nicht nur magnetisch, sondern auch durch ein elektrisches Feld verändert werden.

Wird die Spin-Drehung elektrisch anstatt magnetisch ausgelesen, dann ist dies einfacher und mit weniger Energieaufwand möglich. Wird die Magnetrichtung (Spin) gedreht, dann pendeln die Elementarmagnete kurzzeitig bevor die endgültige Ruhelage erreicht wird.

Mit einem höheren Strom für die Spinumkehrung kann die Umschaltung auf nur einen Pendelausschlag reduziert werden. Das bedeutet eine erhebliche Beschleunigung für die Schaltgeschwindigkeit.

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SCM | Storage Class Memory

Der Begriff SCM wurde von IBM eingeführt, um eine neue Speicherklasse zwischen Hauptspeicher (Memory) und Massenspeicher (Storage) zu definieren. SCM-Speicher ist schnell und nahe am Rechnerkern, wie DRAM oder SRAM, und erfüllt gleichzeitig die Aufgabe einer besonders schnellen Festplatte.

Herkömmliche SSDs erfüllen die an SCMs gestellten Forderungen noch nicht. Das Stehvermögen (Endurance) ist noch nicht hoch genug und der Preis ist noch nicht niedrig genug. Wie immer: das Neue ersetzt nicht das Alte, sondern stellt eine weitere Möglichkeit dar. Ein passendes SCM-Dateisystem wurde bereits erprobt.

Hermann Strass ist Berater für neue Technologien, insbesondere für Bus-Architekturen, Massenspeicher und Netzwerke. Er ist in verschiedenen nationalen und internationalen Normungsgremien tätig. Hermann Strass ist Autor von Büchern und Zeitschriftenartikeln und er organisiert Seminare.

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