Erster neuer Speichertyp seit 1989 Intel und Micron: Transistorloser Aufbau soll Revolution bei nichtflüchtigen Speichern bringen

Die Halbleiterhersteller Intel und Micron haben heute die sogenannte 3D XPoint Technologie vorgestellt, einen neuen nichtflüchtigen Speichertyp, der bis zu 1.000x schneller als NAND arbeiten und dabei eine ebenfalls 1000x längere Lebensdauer haben soll.

Rob Crooke, Senior Vice President and General Manager der Non-Volatile Memory Solutions Group bei Intel, präsentierte zusammen mit Microns CEO Mark Durcan die neue Technologie bei einem Event in Santa Clara, Kalifornien.

Der nicht flüchtige Speicher revolutioniert laut den beiden Halbleiterherstellern jedes Gerät, jede Anwendung und jeden Service, der vom schnellen Zugriff auf große Datenmengen profitiert. Die 3D XPoint-Technologie stellt einen wichtigen Durchbruch in der Speicherfertigung dar und bildet die erste neue Speicherkategorie seit der Einführung von NAND-Flash im Jahr 1989. Intel und Micron haben bereits die Produktion der ersten Chips gestartet.

Die Unmenge an vernetzten Geräten und digitalen Diensten erzeugen ein riesiges Datenvolumen. Um diese Daten nutzbar zu machen, müssen sie gespeichert und sehr schnell analysiert werden. Das schafft neue Herausforderungen für Service-Provider und Systemintegratoren, die beim Design von Storage-Lösungen Faktoren wie Kosten, Stromaufnahme und Leistung ins Gleichgewicht bringen müssen. Die 3D-XPoint-Technologie ist bis zu 1.000 Mal schneller als heutiger NAND-Speicher und bietet eine bis zu 1.000-fach höhere Lebensdauer als NAND. Im Vergleich zu einem herkömmlichen DRAM-Speicher liefert 3D XPoint eine bis zu zehnmal höhere Dichte.

Die digitale Welt wächst schnell von 4,4 Zettabyte digitaler Daten im Jahr 2013 auf voraussichtlich 44 Zettabyte Daten im Jahr 2020. Die 3D XPoint Technologie verwandelt diese immense Menge an Daten innerhalb von Nanosekunden in wertvolle Informationen. Einzelhändler können die 3D XPoint Technologie beispielsweise nutzen, um Betrugsmuster in Finanztransaktionen schneller zu erkennen (Fraud Detection). Forscher im Bereich Gesundheitswesen sind damit in der Lage, größere Datenmengen in Echtzeit zu verarbeiten und zu analysieren und dadurch komplexe Aufgaben wie Gen-Analysen und das Tracking von Krankheiten zu beschleunigen.

Die Leistungsvorteile der 3D XPoint Technologie verbessern auch die PC-Erfahrung der Nutzer. Sie können schneller und interaktiver in den sozialen Medien agieren, zusammenarbeiten sowie ein noch intensiveres Spielerlebnis genießen. Als nicht flüchtiger Speicher eignet sich die neue Technologie sehr gut für eine Vielzahl von Storage-Anwendungen mit niedriger Latenzzeit, da die Daten nicht gelöscht werden, wenn das Gerät ausgeschaltet und die Stromversorgung unterbrochen wird.

Neue Cross Point Architektur für schnellere Prozesse

Nach mehr als einem Jahrzehnt der Forschung und Entwicklung wurde die XPoint 3D Technologie von Grund auf von hunderten Ingenieuren entwickelt, um nicht flüchtigen Speicher mit hoher Leistung, langer Lebensdauer und hoher Speicherkapazität zu einem erschwinglichen Preis zu erhalten. Sie führt zu einer neuen Speicherkategorie mit signifikant niedrigeren Latenzzeiten, so dass mehr Daten in der Nähe des Prozessors gespeichert und mit Geschwindigkeiten abgerufen werden können, die bislang für nichtflüchtigen Speicher undenkbar waren. Der Preis pro Bit soll zwischen dem für DRAM und 3D-NAND liegen, so dass preissensitive Applikationen wohl bis auf weiteres weiter mit 3D-NAND Vorlieb werden nehmen müssen.

Die Cross Point Architektur kommt ohne Transistor aus. Sie schafft eine Art dreidimensionales Schachbrett, bei dem die Speicherzellen am Schnittpunkt der horizontalen Wortleitungen (Wordlines) und vertikalen Bit-Leitungen (Bitlines) sitzen. Damit lassen sich die Zellen statt in Blöcken wie bei NAND individuell ansteuern. Als Ergebnis können die Daten in kleinen Mengen geschrieben und gelesen werden. Ergebnis sind schnellere und effizientere Lese-/Schreib-Prozesse.

Weitere Details über die 3D XPoint Technologie

Die Cross Point-Struktur des Arrays besteht aus senkrechten Leitern, die 128 Milliarden dicht gepackte Speicherzellen verbinden, von denen jede Zelle ein einzelnes Daten-Bit speichert. Diese kompakte Bauweise führt zu einer hohen Leistung und hoher Bit-Dichte.

Zudem sind die Speicherzellen in mehreren Schichten gestapelt. Die erste Version der Technologie wird pro Die über eine Kapazität von 128 GBit über zwei Speicherschichten verfügen. Zukünftige Generationen der 3D XPoint Technologie werden mehr Speicherschichten umfassen und in Ergänzung zu einem verbesserten lithografischen Verfahren (kleinere Strukturbreiten) die Kapazität des Systems weiter erhöhen.

Für den Zugriff, das Lesen und Schreiben der Speicherzellen wird die Spannung variiert, die an den einzelnen Selektoren angelegt wird. Da dadurch keine Transistoren mehr notwendig sind, steigt die Kapazität bei sinkenden Kosten.

Dank der kleinen Zellgröße, schnell schaltendem Selektor, dem Cross Point-Array mit geringer Latenzzeit und einem schnellen Schreib-Algorithmus wechselt die Zelle ihren Status (Ein/Aus) schneller als jede andere aktuelle Technologie für nicht flüchtigen Speicher.

Leider gab Intel keine Details über die verwendeten Materialen und die Art der Datenspeicherung, d.h. in welcher Weise sich dies beim Schalten verändert, bekannt. Crooke sprach jedoch in einem Nebensatz von „resistiven Elementen“, es könnte sich daher im weitesten Sinn um RRAM handeln. Bekannt ist seit 2011, dass Samsung an RRAM arbeitet, dieser basiert nicht auf Silizium, sondern auf einem Oxyd mit der Bezeichnung Taox, das je nach Zustand seinen Widerstandswert ändert. Zu der Zeitdauer, für die Daten gespeichert werden können (Data Retention), machte Intel ebenfalls keine Angaben.

Erste Muster der 3D XPoint Technologie werden im Laufe dieses Jahres erhältlich sein, die Massenproduktion wird 2016 aufgenommen. Crooke und Durcan zeigten einen Wafer aus der gemeinsamen Fabrik in Utah.