UltraRAM: RAM-Massenspeicher-Symbiose rückt Serie näher

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UltraRAM heißt ein neuer technischer Ansatz bei der Suche nach einem Universalspeicher, der die Aufgaben von Arbeits- und Massenspeicher gleichzeitig übernimmt. Jetzt melden Forscher einen Durchbruch auf dem Weg zur Massenfertigung von UltraRAM.

Vor einem Jahr hatten Forscher der Lancaster University im Vereinigten Königreich ihren UltraRAM vorgestellt. Die Technik ist eine neue Form von nichtflüchtigem Arbeitsspeicher (NVRAM), der also die Daten wie ein Massenspeicher auch ohne Stromzufuhr dauerhaft behält. Wie RAM soll er schnell sein und viele Schreibzyklen überstehen, wie NAND-Flash soll er nichtflüchtig sein. Beschrieben wurde die Technik als „Verbindungshalbleiter-Ladungsspeicher, der Quantenphänomene für seine Betriebsvorteile nutzt“. Die sogenannten III-V-Verbindungshalbleiter werden etwa auch zur Herstellung von Lasern, Leuchtdioden oder Solarzellen verwendet.

Funktionsweise des UltraRAM

Beim UltraRAM werden Indiumarsenid (InAs)-Quantentöpfe und Aluminiumantimonid (AlSb)-Barrieren verwendet, um eine sogenannte Triple-Barrier-Resonant-Tunneling-Struktur (TBRT) zu erschaffen. Die gespeicherte Information wird durch das Vorhandensein oder die Abwesenheit von Elektronen in einem Floating Gate (FG) abgebildet. Bei Anlegung einer niedrigen Spannung (~2,5 Volt) wird die Struktur für Elektronen durchlässig. „Durch die Verwendung der TBRT-Heterostruktur als Barriere zwischen FG und Kanal anstelle des üblichen monolithischen Materials kann ein ladungsbasierter Speicher mit außergewöhnlichen Eigenschaften erreicht werden“, heißt es in dem Anfang Januar veröffentlichten Paper.

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Konzept der UltraRAM-Speicherzelle

Verbindungshalbleiter auf Silizium

Fertigungsschritte im Schema

Auf Silizium-Wafer gebannt näher zum Marktstart

Der jüngste „Durchbruch“ auf dem Weg zur Kommerzialisierung der Technik ist die Implementierung auf einem Siliziumträger (Si substrate). Dies sei „ein wichtiger Schritt zur kostengünstigen Massenproduktion“. Zuvor war die Technik auf Galliumarsenid (GaAs)-Wafern getestet worden, die weitaus teurer in der Herstellung sind.

Haltbarkeit deutlich besser als bei NAND-Flash

Bei Haltbarkeit und Datenerhalt soll der UltraRAM gegenüber NAND-Flash klar im Vorteil sein. In Versuchen wurden bereits 10 Millionen Schreib- und Löschzyklen (program/erase cycles) erreicht, was vorerst aber nur das Minimum darstelle. Bei NAND-Flash gelten 1 Million P/E-Zyklen (bei früherem SLC-NAND) bereits als sehr viel. Der heute dominierende TLC-NAND liegt geschätzt bei deutlich unter 10.000 P/E-Zyklen. Den Datenerhalt von UltraRAM können die Forscher nur hochrechnen, kommen dabei aber auf über 1.000 Jahre.

Leistung könnte DRAM übertreffen

In puncto Leistung, die durch die Dauer für das Umschalten der Zustände in den Speicherzellen bestimmt wird, sei mit ≤10 ms schon zügig für eine Schaltung mit relativ großer Strukturbreite (20 µm Feature Size). Mit feinerer Fertigung und entsprechend perfekter Skalierung der Leistung könne sogar die Schaltgeschwindigkeit (Switching Speed) von DRAM übertroffen werden, so die Forscher. Dies bedarf allerdings noch der Probe aufs Exempel.

Assuming ideal capacitive scaling down to state-of-the-art feature sizes, the switching performance would be faster than DRAM, although testing on smaller feature size devices is required to confirm this.

Niedrige Energie zum Umschalten

Die für das Umschalten nötige Energie soll bei UltraRAM um das 100- oder 1000-fache niedriger als bei DRAM respektive NAND-Flash ausfallen. Somit bestehe also auch bei der Energieeffizienz großes Potenzial.

Jetzt heißt es Abwarten

Von vielen Faktoren, wie vor allem den Kosten zur Herstellung pro Bit Speicherkapazität, hängt ab, ob der UltraRAM den Markt als neuer Universalspeicher, der praktisch RAM und Storage vereint, erreichen wird. Für die Forscher heißt es nun weiter an der Technik und dem Herstellungsverfahren zu feilen.