Flashspeicher sind noch immer heiß begehrt. Mobile Geräte wie Tablet-PCs oder Smartphones lassen den Markt für Flashspeicher und Halbleiter boomen, wobei der Marktanteil von Tablets in den kommenden Jahren enorm steigen wird. Marktanalysten zufolge wird die jährliche Wachstumsrate für den Markt der NAND-Speicher, die zu den gebräuchlichsten Flashspeichern zählen, zwischen 2011 und 2015 voraussichtlich 7 Prozent betragen. Zunehmend mehr Speicherdichte wird in Prozesstechnologien mit einer Strukturbreite von gerade einmal 25 nm oder noch weniger verbaut. Führende Hersteller von NAND-Flashs beginnen mit der Produktion von 64 GBit starken Speichern in Ausführungen zwischen 20 und 30 nm. Dabei setzen sie verstärkt auf innovative Speicherarchitekturen und -strukturen, um dem Bedarf nach einer hohen Speicherdichte gerecht zu werden. In einer aktuellen Publikation von SanDisk und Toshiba schrieb man sogar über einen mittels 19-nm-Prozessfertigung hergestellten NAND-Flashspeicher, der über eine Kapazität von 128 GBit verfügt und 3 Bit pro Zelle speichert.
Potenzielle Thronfolger
Während Flashspeicher auf kurz- und mittelfristige Sicht immer leistungsfähiger werden, hält die Nachfrage nach möglichen Ersatzprodukten sowohl für eigenständige als auch für eingebettete Anwendungen langfristig an. Sage und schreibe 30 verschiedene nicht-flüchtige Speichertechnologien versuchen sich am Markt zu behaupten. Zu den führenden Technologien gehören unter anderem Phasenwechselspeicher (PCM oder PRAM), ferroelektrischer Random Access Memory (FRAM oder FeRAM), Magnetoresistive Random Access Memory (MRAM) sowie Resistive RAM (RRAM oder ReRAM). Sie bieten gegenüber Flashspeichern zahlreiche Vorteile wie beispielsweise 100-mal schnelleren Lese- und Schreibzugriff sowie eine deutlich höhere Zahl von Schreibzyklen.
Phasenwechselspeicher
Beim PCM nutzt man das Verhalten von Chalkogenidgläsern, die zwischen vier unterschiedlichen Zuständen - kristallin, amorph und zwei Mal teilkristallin - wechseln können. Das Material ändert seinen Zustand durch Wärme, die beim Kontakt des Glases mit Strom erzeugt wird. Durch das Hin- und Herschalten zwischen vier verschiedenen Zuständen bieten PCMs eine doppelt so hohe Speicherkapazität und können zwei Bits pro Zelle schreiben. Die verschiedenen Zustände haben sehr unterschiedliche elektrische Widerstände. Im amorphen Zustand beispielsweise ist der Widerstand sehr hoch, somit wird dieser für die Darstellung einer binären 0 genutzt, während der kristalline Zustand mit seinem geringen Widerstand für eine 1 steht.Der Hauptvorteil eines Phasenwechselspeichers besteht darin, dass er sehr empfindlich auf hohe Temperaturen reagiert. Die Nutzungsdauer ist deutlicher länger als beim Flash, der für etwa 5.000Schreibzyklen ausgelegt ist, während ein PCM etwa 100 Millionen Zyklen schafft. Der PCM glänzt mit kurzen Schaltzeiten und kann auf bis zu 40 nm skaliert werden. Einzelne Bits können geändert werden, ohne dass vorher Datenblöcke separat gelöscht werden müssen. Damit überzeugt der PCM mit einer hohen Leistung, die vor allem bei schreibintensiven Anwendungen zum Tragen kommt.Micron Technologies und Samsung arbeiten derzeit intensiv an der Auslieferung des ersten PCM mit einer Kapazität von 1 GBit. Samsung hat bereits einen 512MBit starken PRAM für den Einsatz in Mobiltelefonen veröffentlicht, der mit NOR-Flashspeichern kompatibel ist.
FRAM
Ein FRAM ist ähnlich aufgebaut wie ein DRAM. Ein DRAM besteht aus einem dielektrischen Zugangstransistor und einem Speicherknoten auf Basis eines Kondensators, während bei einem FRAM ferroelektrische Materialien wie beispielsweise Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) zur Bildung eines ferroelektrischen Kondensators verwendet werden, der in das Gate des Zugangstransistors integriert wird.Die kristalline Struktur des ferroelektrischen Materials ermöglicht die Bildung halbdurchlässiger elektrischer Dipole, die sich selbst an einem angelegten externen Elektrofeld ausrichten und diese Polarisation nach Entfernung des Feldes beibehalten. Dadurch kann sowohl beim Lese- als auch Schreibzugriff zufällig auf die einzelnen Bits zugegriffen werden, wobei die binären Zahlen 0 und 1 unter Verwendung der zwei möglichen Polarisationen, die jeder Zelle zur Verfügung stehen, gespeichert werden. FRAM besticht mit einem geringeren Stromverbrauch sowie einer schnelleren Schreibleistung und kann eine größere Anzahl von Schreib-Lösch-Zyklen verarbeiten als ein Flashspeicher. Dem gegenüber stehen Nachteile wie geringere Speicherdichten, Einschränkungen bei der Speicherkapazität sowie höhere Kosten. Fujitsu hat FRAM-Geräte angekündigt, die Flashspeicher und SRAMs in Industrie und Fertigung sowie in energiearmen Anwendungen ersetzen sollen. Texas Instruments gibt zögerlich grünes Licht für den Verkauf von Mikrocontrollern auf FRAM-Basis.
Magnetoresistive Random Access Memory
MRAMs nutzen magnetische Speicherkomponenten, die aus zwei ferromagnetischen Ebenen zusammengesetzt sind. Diese sind durch eine dünne Isolationsschicht voneinander getrennt und können jeweils beide ein Magnetfeld aufrechthalten. Die einfachste Zellstruktur ist eine Spinventil-Konfiguration. Bei einer Ebene handelt es sich um einen Permanentmagneten mit fester Polarität, während sich das Magnetfeld der anderen Ebene durch ein externes Feld verändern kann. Die Bits werden in der Form gespeichert, dass zwei Ebenen von gleicher Polarität eine 1 repräsentieren, während zwei Ebenen mit gegensätzlicher Polarität zur Darstellung der 0 genutzt werden. Ein Speicher besteht aus mehreren solcher Zellen. Die Technologie ist so vielversprechend, dass sie potenziell nicht nur Flashspeicher, sondern auch DRAMs und SRAMs ablösen soll. Ein Problem von MRAMs besteht allerdings darin, dass sie sehr anfällig auf Störungen durch lang anliegende externe DC-Magnetfelder reagieren.Everspin, ein Spinoff von Freescale Semiconductor, geht davon aus, im Jahr 2013 MRAMs in Stückzahlen von mehreren Millionen auszuliefern. Gleichzeitig arbeitet das Unternehmen aber bereits an einer MRAM-Technologie der zweiten Generation, die den Namen SST-MRAM (Spin Transfer Torque MRAM) tragen soll. Bei dieser Technologie wird die Isolationsschicht mit einer als Tunnel dienenden Grenzschicht ersetzt, wobei spinpolarisierte Elektronen zum Einsatz kommen. Der Hauptvorteil liegt in einer höheren Energieeffizienz beim Schreiben von Daten, das heißt, der Stromverbrauch beim Schreiben entspricht in etwa dem beim Lesen. Damit sind höhere Speicherdichten möglich. Allerdings muss die Spin-Kohärenz aufrechtgehalten werden, und für den Betrieb bei hohen Geschwindigkeiten ist eine höhere Stromstärke erforderlich. Derzeit ist für die Technologie eine Anwendung in Geräten von unter 65 nm geplant, und man erforscht bereits neue Verbundstrukturen.
Resistive RAM
RRAMs basieren auf der elektronischen Schaltung eines Widerstandmaterials zwischen zwei festen Zuständen (niedrig- oder hochohmig). Dies geschieht, wenn Oxid-Isolatoren plötzlich Strom oder Spannung ausgesetzt werden. Der Wechsel zwischen den zwei Zuständen erfolgt durch zwei Vorgänge: Mit RESET wird von einem niedrig- in einen hochohmigen Zustand geschaltet, während SET in die umgekehrte Richtung wechselt.RRAM ist auf unter 30 nm skalierbar. Eine Studie zum Thema oxidbasierte RRAMs führte sogar zu der Erkenntnis, dass eine Strukturbreite von 2 nm möglich ist. Das Forschungsinstitut IMEC geht davon aus, dass in 11-nm-Fertigung hergestellte RRAM-Geräte mit Stack-Struktur auf den Markt kommen könnten, während der SONOS Flashspeicher mit 17 nm und 14nm großen Speicherknoten als Vorstufe gedacht ist. RRAMs überzeugen mit ultrakurzen Schaltzeiten von weniger als einer Nanosekunde bei minimalem Energieverbrauch. Zudem bieten sie selbst bei hohen Temperaturen und auch nach einer großen Zahl von Speicherzyklen noch eine hohe Datenstabilität. Die Langlebigkeit und Stabilität dieser Speicher eröffnet neue Chancen für verschiedene Märkte, darunter beispielsweise die Automatisierungsbranche oder Embedded-Anwendungen.Elpida zum Beispiel hat bereits RRAM-Prototypen entwickelt, die 2013 in Serienproduktion gehen sollen. Diese in einem 30-nm-Fertigungsprozess hergestellten Geräte werden eine Speicherkapazität in Gigabitdimension haben.
Ein Ende ist noch lange nicht in Sicht...
Keine der hier vorgestellten Technologien ist bisher in Serie gegangen. Vielmehr werden damit zum gegenwärtigen Zeitpunkt nur Nischenmärkte bedient. Flashspeicher werden noch eine ganze Weile das Nonplusultra sein, wodurch wir uns noch ein wenig gedulden müssen, bevor wir ausrufen „Der König ist tot, lang lebe der König!“ Sie kennen die Geschichte ja.
