Nichtflüchtiges RAM mit 32 Gigabit und ferroelektrischen Kondensatoren

Schon seit Jahrzehnten läuft die Forschung an nichtflüchtigem Arbeitsspeicher, der die Brücke zwischen DRAM und NAND-Flash schlägt. Micron sieht sich auf dem Weg dorthin einen Schritt weiter und stellt auf der Fachkonferenz IEEE IEDM 2023 sein sogenanntes "NVDRAM" vor. Das Akronym ist im Grunde ein Oxymoron, denn "NV" steht für nichtflüchtig (Non Volatile) und das "D" in DRAM für dynamisch, also für die regelmäßig nötige Auffrischung gegen Verlust der in den Zellen gespeicherten Daten.

Doch NVDRAM deutet an, dass es um eine annähernd DRAM-schnelle Speichertechnik geht, die Informationen auch nach Abschalten der Stromversorgung behält. Das gelingt Micron durch den Einsatz von ferroelektrischen Kondensatoren als den eigentlichen Speicherelementen. Sie sind wie die winzigen Kondensatoren von DRAM-Zellen jeweils mit einem Transistor kombiniert (1T1C-Zellen).

Die ferroelektrischen Kondensatoren brauchen mehr Platz als die von DRAMs, weshalb Micron in die dritte Dimension stapelt, um mit ähnlich wenig Siliziumfläche auszukommen. Dabei legt Micron nicht nur zwei Lagen mit Speicherzellen übereinander, sondern stapelt auch die Kondensatoren jeweils über die Datenleitungen. Und die CMOS-Logik zur Ansteuerung der Zellen liegt noch unter den beiden Speicherzellschichten.

NVDRAM-Chips sollen ihre Daten bis zu 10 Jahre lang speichern, sich sehr oft überschreiben lassen und Temperaturen zwischen –40 und +95 Grad Celsius überstehen. Als potenziellen Einsatzbereich der NVDRAM-Chips sieht Micron KI-Anwendungen, etwa Compute-in-Memory.

Wann neuartige NVDRAM-Chips mit je 32 Gigabit (32 Gbit = 4 GByte) auf den Markt kommen könnten, verriet Micron bisher nicht. Seit Kurzem fertigen Samsung und Micron DDR5-SDRAMs mit jeweils ebenfalls bis zu 32 Gigabit Kapazität.

Lange FRAM-Geschichte

Ferroelektrische Speicherchips und eingebettete FeRAM-Zellen als lokaler Speicher für Mikrocontroller existieren schon seit Jahrzehnten. Allerdings gibt es FRAM/FeRAM bisher nur mit viel kleinerer Kapazität und mit anderen Schnittstellen als DRAM.

So liefert etwa Infineon das mit der Cypress-Übernahme ins Unternehmen gekommene Excelon F-RAM mit bis zu 16 Megabit (Mbt) und SPI oder QSPI. Cypress wiederum hatte 2012 Ramtron übernommen. Die Dresdner Firma FMC entwickelt unter anderem FeFET-Speicherzellen zur Integration in andere Chips.

DRAM mit Fallschirm

Auch nichtflüchtige DRAM-DIMMs sind als NVDIMMs schon seit Jahren auf dem Markt, allerdings als aufwendige Konstruktionen beispielsweise mit "Flash-Fallschirm" oder akkugepufferter Stromversorgung – oder einst als Optane-Speicher.

In gewöhnlichen Computern und Servern lassen sich NVDIMMs nicht sinnvoll einsetzen, vielmehr müssen Firmware/BIOS, Betriebssystem und Anwendungen dafür ausgelegt sein. Hauptspeicher, der seinen Inhalt ohne Stromversorgung erhält, stellt zudem ein Sicherheitsrisiko für die gespeicherten Daten dar, sofern sie unverschlüsselt abgelegt sind.

• Hören Sie dazu auch den Podcast Bit-Rauschen, Folge 2013/19:

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(ciw)