Speichertechnik: NRAM als nichtflüchtige DRAM-Alternative wird serienreif

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Das Start-Up Nantero beschäftigt sich schon seit über fünfzehn Jahren mit Speicherzellen, die Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CNT, carbon nano tube) verwenden. Das Grundprinzip ist simpel: Über einen elektrostatischen Impuls kann man CNT entweder dazu bringen, sich aneinanderzuheften oder gegenseitig abzustoßen. Packt man etliche dieser Röhrchen zwischen zwei Elektroden, so ändert sich der Widerstand: Kleben viele Röhrchen aneinander und bauen dadurch einen leitenden Pfad auf, dann ist er gering; stoßen die Röhrchen sich ab, dann ist er hoch. Damit sind zwei distinkte Zustände messbar – fertig ist die Speicherzelle.

Der von Nantero als NRAM bezeichnete CNT-Speicher hat dabei gleich mehrere Vorteile. Anders als DRAM-Zellen halten NRAM-Zellen den Speicherinhalt ohne weitere Energiezufuhr nahezu unbegrenzt aufrecht: Bei 300 °C verspricht Nantero über 300 Jahre, bei Raumtemperatur sollten es sogar ein bis zwei Größenordnungen mehr sein. Mit Schaltgeschwindigkeiten auf DRAM-Niveau kann sich NRAM wiederum von anderen nichtflüchtigen Speichertypen wie Flash, 3D-XPoint & Co. absetzen.

Serienreife

Auf die Frage, warum es bislang noch kein NRAM zu kaufen gebe, antwortete Nanteros Bill Gervasi, dass es etliche Detailprobleme zu lösen galt. Sind die Nanoröhrchen zu kurz oder zu lang, dann schließen sie die Zelle kurz; bei falschen Durchmesser ist der Widerstandsunterschied zu gering. Hinzu kamen Herausforderungen für die Serienfertigung: So muss der CNT-Haufen, der eine Zelle bildet, grundsätzlich löchrig sein. Das Metall beider Elektroden darf aber nicht in die Zwischenräume eindringen – auch das führt nämlich zum Kurzschluss.

Nantero habe dies Probleme jetzt gelöst und bietet interessierte Unternehmen seine Technik zur Lizenzierung an. Der erste Kunde ist Fujitsu, der nichtflüchtigen Speicher in seine Prozessoren einbaut. Die Integration ist tatsächlich übrigens eher weniger ein Einbauen als vielmehr ein nachträgliches Aufbringen als zusätzliche Schicht auf dem eigentlichen Silizium mit den Logik-Transistoren. Die ersten Chips sollen Ende diesen oder Anfang nächsten Jahres vom Band rollen.

DDR4-Riegel mit NRAM

Während Fujitsu seine Chips mit überschaubaren Speicherkapazitäten von 32 MByte ausstattet, hat Nantero inzwischen auch DDR-kompatible Chips entworfen. Mit in 28 nm gefertigter Logik beziehungsweise rund 100 mm² Die-Fläche sind 8-GBit- (2 Layer) und 16-GBit-Chips möglich, die sich auf Speicherriegel mit SPD verpackt als Drop-In-Replacement für bestehende Rechner mit DDR4-Slots eignen – also mit gleicher Spannung und sonstigen Betriebsparametern arbeiten. Auch wenn sich diese Aussage derzeit noch nicht überprüfen lässt: Gervasi sollte wissen, was er verspricht, denn er arbeitet seit Jahren im Industriekonsortium JEDEC an der Standardisierung neuer Speicherarten mit.

Gegenüber etablierten DRAM-Riegeln haben NRAM-Riegel zwei große Vorteile. Weil die Zellen ihren Speicherinhalt von alleine halten, sind keine Refresh-Zyklen notwendig, wodurch die nutzbare Bandbreite laut Nantero um bis zu 15 Prozent steigt. Zusätzlich ist die Schaltung so aufgebaut, dass auf Chipebene implizit mit ECC gearbeitet wird.

NRAM-Speicherriegel sollen preislich mit DRAM-Riegeln mithalten können: Gervasi nannte als Hausnummer um 40 Prozent geringere Fertigungskosten, weil die Logik im älteren 28-nm-Prozess daherkommt und die CNT-Beschichtung nicht so komplex ist wie eine Halbleiterfertigung. Über Endkundenpreise wollte er nicht spekulieren – gut möglich, dass Lizenznehmer wegen der Vorteile einen Aufpreis nehmen.

So oder so dürften die Preise allerdings merklich günstiger ausfallen als nichtflüchtiges RAM, das es bislang schon für Server gibt: Sowohl NVDIMM-N als auch NVDIMM-P haben nicht nur wesentlich komplexere Modulaufbauten, sondern setzen zwingend eine eigene Stromversorgung voraus, um im Falle eines Stromausfalls den RAM-Inhalt in Flash zu sichern beziehungsweise bei Rückkehr des Stroms den Speicherinhalt wieder verfügbar zu machen.

MLC-NRAM

Abschließend skizzierte Gervasi noch anstehende Entwicklungsstufen von NRAM. Da sich die Widerstandswerte pro Zelle sehr linear ändern, sei grundsätzlich denkbar, dass man die Zellen ähnlich wie bei Flash auch in einem MLC-Modus betreiben könne. Zudem sei man hinsichtlich der Skalierung gut aufgestellt: Man arbeite derzeit mit älteren Logik-Prozesses; ein Fertigungswechsel auf Speicher-Prozesse könnte wie auch kleinere Prozesse Vorteile bringen.

Je nach Prozessgröße müssen dabei Länge und Durchmesser der Kohlenstoff-Nanoröhrchen angepasst werden. Ein grundsätzliches Problem dieser Skalierung trete erst auf, wenn man in einem 1-nm-Prozess fertigen wolle -- da habe man also locker noch mehrere Dekaden Luft. (mue)