RAM: Die Zukunft des RAM

FeRAM (Ferro-electric RAM)

Bevor das Silizium Einzug in die Speichermedien gehalten hat, basierten diese auf magnetisierbaren Eisenkernen - mit dem Vorteil, daß auch bei einer Stromunterbrechung gespeicherte Informationen nicht verlorengingen; das Booten war dadurch überflüssig und wird durch FeRAMs wieder überflüssig werden, da sich das gesamte System immer im Hauptspeicher befindet. Außerdem könnten diese Speicherchips für wesentlich leichtere Notebooks sorgen, denn die heute verwendeten RAMs benötigen in bestimmten Abständen energieaufwendige Refresh-Spannungsstöße, um fit zu bleiben; diese entfallen bei den FeRAMs.
Bis es soweit ist, wird allerdings noch etwas Zeit vergehen. Prof. Burkhard Hillebrands von der Uni Kaiserslautern entwickelt diese Chips in Zusammenarbeit mit Siemens. Er glaubt, dass serienreife MRAMs frühestens im Jahr 2004 auf den Markt kommen werden.



FRAM nutzt die Hysteresekurve des ferroelektrischen Effekts aus. Nach dem Abschalten des polarisierenden Feldes behalten dünne keramische Filme einen Teil der Polarisierung bei. Diesen Zustand wertet man beim Auslesen der gespeicherten Information aus. FRAMs kombinieren Vorteile von DRAM und Flash: Die Schreib- und Lesevorgänge erfolgen ähnlich schnell wie bei DRAMs, der Inhalt der Speicherzellen bleibt aber auch ohne Stromversorgung erhalten.

Dass sich FeRAMs trotz schon jahrelanger Verfügbarkeit dennoch nicht als Standardspeicher durchsetzen konnten, liegt an der begrenzten Anzahl der Schreibzyklen – heutige FRAM-Zellen vertragen nur rund 10 Milliarden davon. Angesichts der Speichertaktraten heutiger PCs von 133 Millionen Hertz eignen sich FRAMs jedenfalls nicht als Ersatz für DRAM; sie sind zur Zeit nur in Industrieanlagen ,Organizern und sonstigen technischen Messgeräten eingesetzt, welche eine sehr begrenzte Beschreibbarkeit des Speichermediums benötigen. Das Problem mit der Beschreibbarkeitsgrenze soll erst mit Erscheinen des MRAM gelöst werden.

[quote="Die Presse"]Der japanische Chiphersteller Rohm produziert und vertreibt bereits seit 1996 FeRAMs. Ebenfalls seit 1996 stellt Rohm einen Chip mit integriertem FRAM für die Kennzeichnung von Luftgepäck her.

Samsung trat 1999 mit der Veröffentlichung eines 4-Mbit-FRAMs unter Nutzung einer 1T1C-Speicherzelle und einer Zugriffszeit von 75 ns bei 3,3 V hervor.

NEC hat bereits 1998 auf der CICC eine FeRAM-Zelle vorgestellt, die in einen 0,8-µm-CMOS-Prozess integriert werden kann und für die Anwendung in SmartCards ausgelegt ist. Langfristig hofft NEC auf einen breiten Einsatz von FeRAMs, inbesondere vor dem Hintergrund der Überzeugung, dass Flash-Speicher nicht mehr wesentlich weiter skaliert werden können. Entsprechend wurde auf der CICC 2001 eine 2T2C-FeRAM-Zelle für einen 0,35-µm-Prozess vorgestellt. Diese Architektur soll in einen 0,25-µm-Prozess portiert werden und könnte dann ab dem Jahr 2003 bis zu 1-Mbit-Speicher für Smart-Card-Controller ermöglichen.

Toshiba hat 1999 auf der ISSCC einen 16-Kbit-FRAM-Prototypen mit einer weiter entwickelten Architektur zur Kopplung von Transistoren und Kondensatoren vorgestellt, der Zugriffszeiten von 37 ns und Zykluszeiten von 80 ns bei 3,3 V erlaubt. Auf dem VLSI-Symposium 2001 stellten die Entwickler ein FRAM mit einer Kapazität von 8 Mbit vor, das den Weg in die Hochintegration weist.

Infineon hat Ende 2000 relativ spät eine Ramtron-Lizenz erstanden und fast gleichzeitig eine Partnerschaft mit Toshiba abgeschlossen, die den Zugang zu der Toshiba-Technologie erlaubt. Nach der Fertigung von Stand-alone-Chips ist auch die Integration in die Logikprozesse geplant. Im Frühjahr 2001 verlautbarten beide Firmen einige Details über ihre Capacitor-On-Plug-Designs (COP), die ab Mitte 2003 die Produktion von Bauelementen mit einer Kapazität von 32 Mbit erlauben.[/quote]

Arbeitsgruppe Magnetismus der Uni KL, FAQ der Universität Toronto, Infineon FAQ

MRAM (Magnetoresistive Random Access Memory)

Bis zum Jahre 2004 wollen IBM und Infineon Speicherbausteine marktreif haben, deren einzelne Zellen magnetische anstelle von elektrischen Zuständen zur Speicherung von Informationen nutzen. MRAM vereint die Vorteile mehrerer heutiger Speichertechniken: Es kann ähnlich schnell arbeiten wie SRAM, erreicht die Packungsdichte und damit die Kostenvorteile von DRAM und speichert Daten auch ohne kontinuierliche Stromversorgung wie Flash-Speicher.

Man hofft also, mit MRAM sowohl leistungssparende Geräte bauen zu können als auch endlich das langwierige Booten von Computern zu vermeiden – die Daten bleiben in MRAM-Bausteinen ja erhalten. Das prädestiniert diese Chips auch für Mobilgeräte, bei denen die Industrie die größten Wachstumsraten erwartet.

Bei IBM und Infineon arbeiten an dem MRAM-Projekt nach eigenen Angaben rund 80 Entwickler an vier IBM-Standorten in den USA. Bereits seit 1974 arbeiten IBM-Forscher an der Nutzung des magnetischen Tunneleffekts für Speicherelemente (Tunnel-Magnetoresistenz, TMR). Das Hauptproblem, das die Entwickler zu lösen versuchen, ist, die theoretisch mögliche hohe Integrationsdichte in der Praxis zu erreichen.

Magnetische Speicher, nutzen ebenso wie die frühen Magnetspeicher den ferromagnetischen Effekt, der eine Hysterese zwischen magnetischer Feldstärke H und magnetischer Induktivität B des ferromagnetischen Materials beschreibt. Die Nutzung dieses Effekts für Halbleiterspeicher erscheint um so bemerkenswerter, als monolithisch integrierte Induktivitäten und magnetische Kopplung lange Zeit im Bereich der Nischenanwendungen mit geringer Leistungsfähigkeit angesiedelt werden mussten. Besonders interessant wird die Integration von ferromagnetischen Materialien in moderne Halbleiterprozesstechnologien, da bei ausreichend kleinen Dimensionen einzelne magnetische Bereiche ("Weiß’sche Bezirke") hergestellt werden können, was einen sehr hohen Wirkungsgrad erlaubt.



Die Programmierung der Speicherzellen erfolgt dabei grundsätzlich durch einen Stromimpuls, der parallel zu einem ferromagnetischen Material geführt wird und dieses je nach Stromrichtung in die eine oder andere Richtung "auflädt", indem das ferromagnetische Material ummagnetisiert wird. Beim Aufbau der Bauelemente und bei der Technik des Auslesens lassen sich gegenwärtig verschiedene Ansätze unterscheiden.

Es gibt nun viele verschiedene Ansätze, wie man solch einen MRAM konstruieren kann.

Die wohl am ausgereifteste und am weiten verbreitete Methode basiert auf dem sogenannte MJT (Magnetic Tunnel Junction).



Bei diesem Verfahren wird ein Schichtaufbau von zwei dünnen ferromagnetischen Filmschichten realisiert, die von einer sehr dünnen dielektrischen Tunnelbarriere voneinander getrennt sind. Auf diese Weise erhält man so genannte magnetische Tunnelbarrieren.



Die beiden magnetischen Schichten verhalten sich wie ein kleiner Stabmagnet mit jeweils einem Süd- und einem Nordpol, dem sich ein magnetisches Moment zuordnen lässt. Die magnetischen Momente der beiden Magnete können nun gleichgerichtet oder einander entgegengesetzt sein und somit die beiden binären Zustände "0" und "1" repräsentieren.



Lesevorgang: Das Auslesen der Zelle basiert auf der Tatsache, dass der Widerstand der Tunnelbarriere geringer ist, wenn die beiden ferromagnetischen Schichten parallel magnetisiert sind, als wenn die beiden Schichten antiparallel magnetisiert sind. Dieser Unterschied wird dadurch erreicht, dass durch die Schichten mit einer Dicke von wenigen Atomlagen eine Polarisierung der Elektronen erreicht wird. Der untere Magnet lässt nur Elektronen einer bestimmten Spin-Polarisationsrichtung durch, die von dem zweiten Magneten in Abhängigkeit von dessen Ausrichtung durchgelassen oder gesperrt werden. Wenn die beiden Magnete gleichgerichtet sind, können die Elektronen die Tunnelbarriere überwinden. Ist der zweite Magnet allerdings entgegengerichtet, dann wird auch dieser Stromanteil gesperrt.
Der relative Unterschied im Widerstand, der sich nun zwischen Wort- und Bitleitung ergibt (Bild 12) beträgt typischerweise etwa 12 %.



Schreibvorgang: Um die Zellen zu beschreiben, werden Ströme durch Leitungen geschickt, die nah an den magnetischen Zellen vorbeiführen, mit diesen aber nicht leitend verbunden sind. Diese Leitungen, die parallel zu den Wortleitungen geführt werden, bezeichnet man als Digit Lines. Durch das einen Strom umgebende Magnetfeld werden die Magnete, je nach gewünschtem Speicherzustand, gleichgerichtet oder entgegengesetzt ausgerichtet.
Dabei fließt der Strom in der Wortleitung immer in eine Richtung und führt zu einem immer einheitlichen Moment des zugehörigen Magneten, während unterschiedliche Flussrichtungen durch die Bitleitungen die gewünschten Zustände repräsentieren.



Vorteile: Laut Hersteller können für den Schreibvorgang Zeiten bis zu 2,3 ns erreicht werden. Damit erscheinen Zykluszeiten realisierbar, die bei DRAMs üblich sind. Im Vergleich zu den heutigen nichtflüchtigen Speicherbausteinen sind diese um den Faktor 1000 kürzer. Im Vergleich zu den Zykluszeiten der FeRAMs können 20-mal kürzere Zeiten erreicht werden.
Positiv ist ebenfalls anzumerken, dass für den Lesevorgang nur 1/100 der Energie aufgewendet werden muss, die bei DRAMs erforderlich ist.

Eine zweite Möglichkeit ist die Realisierung mit Hybrid Strukturen.



Beim geschichteten Aufbau von ferromagnetischen und Halbleitermaterialien, wird für die Auswertung einer Speicherzelle der Effekt genutzt, dass am Ende eines Magneten eine vertikale Komponente vorliegt. Fließt durch einen unter dem Magneten angeordneten dotierten Halbleiter ein Strom, so werden die Ladungsträger durch den sog. Hall-Effekt lateral abgelenkt. Es tritt eine Hallspannung auf, die sich seitlich abgreifen lässt. Im Grunde genommen handelt es sich dabei um einen kleinen Hallsensor, wie er auch in integrierten Sensorsystemen schon seit Jahren verfügbar ist.

Ein dritter Ansatz basiert auf dem sogenannten GMR (Giant-Magnetoresistance-Effekt).



Im Gegensatz zum MTJ-Schichtaufbau sind bei GMR die ferromagnetischen Filmschichten durch eine nicht-ferromagnetische, aber leitende Schicht voneinander getrennt und liegen in der Stromebene, während sie bei MTJ senkrecht dazu liegen. Sind die Dimensionen dieses Schichtaufbaus ausreichend klein, so treten auf Quantenebene Wechselwirkungen zwischen den ferromagnetischen Schichten auf. Der Effekt besteht darin, dass an den Übergängen von den ferromagnetischen zu den nicht-ferromagnetischen Schichten vom Elektronen-Spin abhängige Veränderungen des Leitungsbandes auftreten, die zu einer Veränderung des ohmschen Widerstands des Schichtaufbaus führen, wobei diese Veränderung abhängig ist von der magnetischen Voreinstellung der einzelnen Schichten. Werden mehrere Schichten übereinander angeordnet, dann verstärkt sich der Effekt und es sind bei Raumtemperatur Widerstandsveränderungen in der Größenordnung von 100 % beobachtbar.

Der GMR-Effekt findet bereits millionenfach Anwendung bei Leseköpfen von modernen Festplatten. In einem einfachen Aufbau wird der GMR-Effekt aber auch bereits in serienmäßig gefertigten MRAMs von Honeywell für strahlungsunabhängige 16-Kbit-Speicher eingesetzt. Es wird aber vielfach bezweifelt, dass sich GMR-basierte MRAMs im kommerziellen Bereich durchsetzen können.

Neben diesen 3 schon etwas ausgereifteren Bauweisen, gibt es aber auch noch alternative Bauweisen, welche aber noch in den Kinderschuhen stecken.

Zum einen den Polymer-basierten FeRAM



Beim polymer-basierten ferroelektrischen RAM (PFRAM) werden dünne Schichten aus Polymeren zwischen die Metallbahnen gelegt. Die Molekülketten der Polymere weisen dabei ein Dipolmoment auf, das umgepolt werden kann und dann diesen Zustand nichtflüchtig behält. Dabei können relativ hohe Schreib- und Lesezyklen erreicht werden. Der besondere Vorteil der Technologie besteht darin, dass für die einzelnen Zellen keine Transistoren benötigt werden. Auf diese Weise können mehrere Zellen im Rahmen einer Mehrlagen-Metallisierung auch übereinander angeordnet werden. Intel führt seine Entwicklungen bei seiner Beteiligungsfirma Thin Film Electronics ASA in Linkoping/Schweden durch.

Die Eigenschaften der PFRAMs mit hohen Speicherdichten bei mäßigen Geschwindigkeiten lassen hoffen, dass sie bald einen konkurenzfähigen Ersatz zu herkömmlichen Festplatten bieten, welche dann aber ohne bewegliche Teile auskommen werden, und so die Ausfallwahrscheinlichkeit senken und einen angenehmen Geräuschpegel haben.

Zum anderen den OUM (Ovonics Unified Memory)



Ein zweiter Ansatz nennt sich Ovonics Unified Memory (OUM) und basiert auf Chalkogeniden. Dabei handelt es sich um polykristalline Siliziumstrukturen, die unter thermischem Einfluss zwischen kristallinem und amorphem Zustand hin und her geschaltet werden können. Eine schnelle und starke Erhitzung führt zu einem Zerfall der Kristallstruktur und der Amorphisierung des Materials. Hierfür wird das Material innerhalb von 10 ns auf über 600 °C aufgeheizt. Unter dem Einfluss einer langsamen Erhitzung kann die Kristallstruktur wieder ausheilen. Die beiden Zustände unterscheiden sich durch einen um mehr als eine Größenordnung veränderten ohmschen Widerstand, der dann durch eine Schaltung ausgelesen werden kann.

Da sich zwischen den beiden Phasen auch die optischen Charakteristika verändern, finden verschiedene Chalkogenid-Legierungen Einsatz in wiederbeschreibbaren CDs und DVDs. Dort findet die Erwärmung durch einen gesteuerten Laser statt.

Die Entwicklung dieser amorphen Halbleiter-Speicher greift schon auf eine 30-jährige Geschichte zurück. Gegenwärtig werden bei Azalea in Santa Clara in Kalifornien im Auftrag von Intel in einem 180-nm-Prozess Testchips mit einer Kapazität bis zu 4 Mbit gefertigt. Auch Micron engagiert sich bei der Entwicklung von Chalkogeniden. Die dortigen Entwicklung werden dort unter der Bezeichnung Programmable Memory Cell (PMC) zusammengefasst.

Heutige OUMs weisen mäßige Geschwindigkeiten auf und erlauben bis zu 1012 Zyklen.

IBM MRAM Projekt, Ramtron

Quelle: Prof. Dr. Axel Sikora - Die Zukunft der Speicher