DRAMs und NAND-ICs ablösen?

Auf diese Speichertechnologien setzt Imec

15. November 2022, 7:30 Uhr | Heinz Arnold
Furnemont Arnoud
Arnaud Furnémont, Vice President R&D memory and compute am Imec: »Für mich liegen die spannendsten Momente in den frühen Phasen der Technologieentwicklung. Ein erster erfreulicher Moment ist, wenn man das Gefühl hat, die eigentliche Problemstellung erkannt zu haben.«
© Imec

Wie sich die verschiedenen Speichertechnologien entwickeln werden und welche Kandidaten er sieht, die DRAMs und NAND-Flash-ICs ablösen könnten, erklärt Arnaud Furnémont, Vice President R&D Memory and Compute von Imec, im Interview mit Markt&Technik.

Markt&Technik: Welche Hauptkriterien werden Ihren Forschungsbereich in den kommenden Jahren bestimmen?

Arnaud Furnémont: Ich sehe derzeit drei wesentliche Triebfedern für mehr Forschung sowohl im Bereich des aktiven Arbeitsspeichers als auch der Datenspeicherung. An erster Stelle steht die anhaltende Nachfrage nach mehr Speicher pro Volumen und zu geringeren Kosten pro Bit. Diese Entwicklung ist untrennbar mit der ständig steigenden Leistung von Computersystemen verbunden, die dank der Fortschritte bei Hardware entsprechend Moore’s Law und Software – KI und maschinelles Lernen – immer mehr Daten verarbeiten können.

Ein zweiter Trend ist die »Memory Wall« bei datenintensiven High-Performance-Computing-Anwendungen, also die Schwierigkeit, schnell genug auf die Daten zuzugreifen. Dies treibt die Forschung zur Verbesserung der Konnektivität zwischen Logik und Speicher voran, beispielsweise mithilfe von 3D-Bonding, wodurch die Speicherchips näher an die Logik heranrücken, erzeugt aber auch Nachfrage nach eingebettetem Speicher mit hoher Dichte, der als letzte Cache-Ebene verwendet wird.

Drittens führt der Trend, mehr Dies pro Volumen unterzubringen, zu thermischen Problemen – eine Herausforderung, die sich zunehmend auf der Speicherseite von Hochleistungssystemen auswirkt, wie etwa bei High Bandwidth Memories (HBMs), in denen mehrere DRAM-Chips dicht übereinander gestapelt sind.

Das klingt nach evolutionärer Fortentwicklung. Erwarten Sie grundlegendere Änderungen?

Für die weitere Zukunft erwarte ich, dass andere Faktoren an Bedeutung gewinnen werden. Die Entwicklung hin zu Kryo-CMOS-Schaltkreisen und Quantencomputersystemen könnte zu einem Bedarf an Kryospeichern führen. Auch die Nachhaltigkeit wird der Speicherforschung einen immer größeren Stempel aufdrücken, weil der weltweite Anteil der Wafer, auf denen Speicher-ICs produziert werden, weitaus größer ist als der für Logik. Schließlich könnte die Entwicklung hin zu analogem In-Memory Computing für die Implementierung der Gewichte neuronaler Netze in Deep-Learning-Anwendungen die Türen zu neuen nichtflüchtigen, neuromorphen Konzepten öffnen.

Seit Langem wird nach Alternativen zu den bekannten DRAM-, SRAM- und Flash-Speichern gesucht. Was tut sich aktuell auf diesem Gebiet?

Im Laufe der Jahre hat die Industrie in enger Zusammenarbeit mit Forschungsinstituten wie Imec eine Reihe von relativ neuen Speichertechnologien erforscht – darunter resistive RAM (ReRAM), magnetische Speicher (Varianten von MRAM), Phasenwechsel-Speicher (PCM) und ferroelektrische Speicher – sowohl für eigenständige als auch für eingebettete Anwendungen. Diese neuen Speicher könnten entweder die klassischen Speicher wie SRAMs, DRAMs und NAND-Flash-ICs ersetzen oder die Lücke zwischen dem schnellen und teuren DRAMs und den langsamen und billigen NAND-ICs, den sogenannten Storage-Class Memories (SCM), in den traditionellen Computerhierarchien schließen.

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Beispiel für eine mögliche 3D-DRAM-Integration auf der Basis eines alternativen Halbleiters
© Imec

Wirklich durchgesetzt hat sich aber keine dieser neuen Technologien.

Grundsätzlich stimmt das, die meisten neuen Speichertypen hatten Schwierigkeiten, sich auf dem Markt durchzusetzen. Dies veranlasste die Speicherhersteller, sich wieder auf die Skalierung von DRAMs für den aktiven Speicher und von NAND-Flash-ICs für die Datenspeicherung zu konzentrieren, um die klassischen Anforderungen an die Dichte zu erfüllen.

Das heißt, es gibt auch Ausnahmen?

Allerdings gibt es ein paar bemerkenswerte Ausnahmen. Eine davon ist das MRAM, das zwar noch nicht zum Mainstream gehört, aber bereits als Alternative zu eingebettetem Flash eingesetzt wird. Auch einer unserer Partner hat angekündigt, 16-nm-embedded-MRAM zu integrieren, um die SRAMs als letzte Ebene des Cache-Speichers zu ersetzen. Das könnte den Durchbruch für diese Technologie bringen.

Lohnt es sich aus der Sicht von Imec noch, im Bereich bei der etablierten Speicher-IC-Technologien weiter zu forschen?

Imec geht die Probleme zweigleisig an. Erstens unterstützen wir unsere Speicherpartner dabei, die Roadmaps der klassischen DRAM- und NAND-Flash-Technologien so weit wie möglich zu erweitern. Zweitens erforschen wir neue Speicherkonzepte, die über das hinausgehen, was heute existiert.


  1. Auf diese Speichertechnologien setzt Imec
  2. "Vollendung der frühen Entwicklungsphasen ist unsere Hauptaufgabe"

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