Speicher-ICs in Europa fertigen?
FMC geht in die Volumenproduktion
Nach Jahren der Entwicklung steht FMC nun kurz vor der Volumenproduktion – mit der Vision eine Fab bei Magdeburg zu bauen. Denn die ferroelektrischen Speicher lassen sich in regulären DRAM-Fabs fertigen – eine Chance für Europa.
DRAM-Fabs gibt es auf der Welt viele. Das ist zunächst eine gute Nachricht für FMC, denn deshalb dürfte es für das Dresdener Unternehmen nicht besonders schwierig sein, Foundry-Kapazitäten für die Fertigung der Speicher zu finden und sie in Stückzahlen fertigen zu lassen. Eine dieser Fabs fährt bereits die Fertigung der Speicher von FMC hoch.
Doch der CEO von FMC, Thomas Rückes, denkt schon einen Schritt weiter: »Unsere Ambition besteht darin, eine solche DRAM-Fab bei Magdeburg zu errichten, sodass dort nicht nur unsere Speicher, sondern auch DRAMs gefertigt werden können.« Damit würde man zwei Fliegen mit einer Klappe schlagen. Erstens könnte eine DRAM-Fab nach Europa geholt werden. Zweitens könnte eine ganz neue vielversprechende Speichertechnologie, die in Dresden entwickelt wurde und das Potenzial hat, weltweit neue Maßstäbe zu setzen, auch als Grundlage für den Aufbau einer entsprechenden Fertigung in Europa dienen. Beides würde erheblich dazu beitragen, die Abhängigkeit für die neusten Speicher-ICs hierzulande etwas zu reduzieren.
Die Qimonda-Wurzeln von FMC
Doch um welche Technik geht es überhaupt? Dazu ein kurzer Rückblick: Noch bei Qimonda hatten Entwicklungsingenieure entdeckt, dass sich Kondensatoren auf Basis von Hafniumoxid (HfO2) seltsam verhalten, was dem ferroelektrischen Effekt zuzuschreiben ist. Er entsteht, wenn ein Material eine spontane elektrische Polarisation besitzt, die sich durch ein äußeres elektrisches Feld umschalten lässt (siehe Kastentext). Was die Ingenieure entdeckt hatten, war allerdings ein sehr spezielles ferroelektrisches Material.
Theoretisch lässt sich damit eine sehr elegante Speicherzelle aufbauen, die erstens ihren Inhalt nicht verliert, wenn die Stromversorgung abgestellt wird, und zweitens aus nur einem Transistor besteht. Sie benötigt also keinen Kondensator wie eine DRAM-Zelle. Auf dieser Basis ließen sich nichtflüchtige Speicher herstellen, die ähnlich gute Eigenschaften wie DRAMs aufweisen sollten – aber einfacher aufgebaut und kostengünstiger zu fertigen sind, eine höherer Speicherdichte aufweisen – und als großen Vorteil haben, nichtflüchtig zu sein.
TU Dresden übernimmt – FMC entsteht
Als Qimonda Anfang 2009 in Konkurs ging, konnte die Technologieentwicklung der HfO2-Zellen an der TU Dresden fortgeführt werden. 2016 wurde die Firma Ferroelectric Memory Company (FMC) aus dem NamLab der TU Dresden ausgegründet. Sie hält die Patente auf die spezielle ferroelektrische Technik, auf deren Basis sie kommerzielle Speicher-ICs auf den Markt bringen wollte.
Doch es stellte sich heraus, dass die Technik weit schwerer umzusetzen war, als es bei der Ausgründung zunächst aussah. Geplant war, Speicher-ICs zu entwickeln und in die Massenproduktion zu bringen, deren Zellen aus einem Transistor ohne Kondensator aufgebaut sind, 1T0C-Zellen genannt, und damit das Potenzial der Technologie voll auszuschöpfen. Zusammen mit GlobalFoundries arbeitete FMC daran, dieses Ziel zu erreichen. Doch der vermeintlich einfache Aufbau entpuppte sich als sehr schwierig in die Massenfertigung von Speicher-ICs zu bringen.
»Auf diesem Weg wären selbst 2024 noch sehr viele Hürden zu überwinden gewesen, das hätte noch längere Zeit in Anspruch genommen. Deshalb hat FMC dann auf eine andere Speicherzelle gesetzt, die aus einem Transistor und einem ferroelektrischen Kondensator besteht, kurz 1T1C, und vielversprechend für die Massenproduktion von Speicherchips mit kommerziell attraktiven Eigenschaften ist«, sagte Thomas Rückes, der Anfang 2024 den Posten des COOs und dann Anfang 2025 des CEOs bei FMC übernahm, im Gespräch mit Markt&Technik. »Mein Ziel ist es seitdem, FMC von einem Technologie-Entwicklungsunternehmen in ein Produktionsunternehmen zu überführen.« Diese 1T1C Speicherzelle konnte sehr viel schneller zu einem Speicher-IC integriert werden, das sich wirtschaftlich in großen Stückzahlen herstellen lässt.
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FMC: Der ferroelektrische Effekt |
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Ferroelektrische Materialien weisen eine nicht-zentrosymmetrische Kristallstruktur auf, die positiven und negativen Ladungsschwerpunkte fallen also nicht zusammen. Im Kristallgitter sitzen die Ionen etwas verschoben an ihren Gitterplätzen, zum Beispiel in Perowskiten (BaTiO₃). Dadurch entsteht pro Elementarzelle ein elektrischer Dipol, sodass das gesamte Gitter polarisiert ist. Dies geschieht spontan, ohne ein äußeres Feld. Wird ein äußeres elektrisches Feld angelegt, klappen die Dipole ihre Richtung um. Weil sie eine Hysteresekurve bilden wie Ferromagnete, spricht man vom ferroelektrischen Effekt. Oberhalb der Curie-Temperatur kommt es zum Phasenübergang: Die Struktur wird wieder symmetrisch, die Ferroelektrizität verschwindet. FMC hat eine Technologie patentiert, die die ferroelektrischen Eigenschaften von Hafniumoxid nutzt: In seiner nicht-zentrosymmetrischen orthorhombischen Kristallphase weisen die linken vier roten Sauerstoffatome in der Einheitszelle zwei thermisch stabile Positionskonfigurationen auf. Ein extern angelegtes elektrisches Feld kann diese reversibel zwischen der oberen und der unteren Positionskonfiguration umschalten, was einem nach unten beziehungsweise nach oben gerichteten Umschalten des Dipols der Einheitszelle entspricht – ein »natürlicher Speicherprozess«, der elektrisch ausgelöst wird. Ein wichtiges Merkmal des oben beschriebenen Prozesses ist, dass die daraus resultierende Ladungsverschiebung beim Umschalten des Dipols deutlich größer ist als die normale dielektrische Ladungstrennung, die durch dasselbe elektrische Feld in einer unpolaren Einheitszelle erreicht wird, wie sie in herkömmlichem DRAMs verwendet wird. Zudem ist die Dipolladung eines ferroelektrischen Kondensators in der Position der Ionen gespeichert und geht nicht durch Leckströme verloren. |
Die ersten ferroelektrischen Speicher-Produkte
Das liegt daran, dass die aktuellen Speicherzellen ganz ähnlich wie die 1T1C-DRAM-Zellen aufgebaut sind, mit nur dem Unterschied, dass anstelle eines dielektrischen HfO2-Films im DRAM-Kondensator bei FMC ein ferroelektrischer HfO2-Film verwendet wird. »Jetzt sind wir dabei, unser Design in die Massenfertigung zu bringen. Wir können auf vorhandenem Equipment zu attraktiven Margen fertigen, und die Device-Eigenschaften sind ebenfalls sehr gut«, freut sich Thomas Rückes.
Der Speicher-IC-Test – ein wesentliches Element
Gleichzeitig müssen die Speicher so ausgelegt werden, dass sie sich in hohen Volumina wirtschaftlich testen lassen, denn der Test trägt erheblich zu den Endkosten der ICs bei. Hier arbeitet FMC eng mit Peter Pöchmüller zusammen, der sich schon bei Qimonda intensiv mit dem Test von Speicher-ICs beschäftigt hatte und heute CEO von Neumonda ist. Ein entsprechendes Abkommen zur gemeinsamen Kommerzialisierung der neuen Speicher-ICs hatten beide Unternehmen im April 2024 unterzeichnet. »Eines meiner persönlichen Ziele bei der Gründung von Neumonda war es, Halbleiterspeicher wieder in Europa zu etablieren. Mit dieser Zusammenarbeit kommen wir dem Ziel, einen erfolgreichen deutschen Speicherhersteller aufzubauen, einen großen Schritt näher«, sagte Pöchmüller damals.
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100-Millionen-Euro-Finanzierung und neue Top-Manager |
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Mitte Januar hat FMC einen neuen CTO und einen neuen COO berufen, um die Ambition zu unterstreichen, eine neue Speicher-Fab in Sachsen-Anhalt zu bauen. Neuer President Global Business Units und CTO des Unternehmens wird Dr. Raj Jammy. In dieser Position wird er die Mission des Unternehmens, leistungsstarke »DRAM+«- und »Cache+«-Speichersysteme für energieeffiziente Cloud- und Edge-KI-Rechenleistungen zu entwickeln, maßgeblich vorantreiben. Als ehemaliger Präsident von imec USA und mit Stationen bei MITRE Engenuity, Carl Zeiss, Intermolecular und Sematech verfügt er über drei Jahrzehnte Erfahrung in Führungspositionen in der globalen Halbleiterindustrie, in der Entwicklung zukunftsweisender Technologien und in der öffentlich-privaten Zusammenarbeit. Als Chief Operating Officer (COO) tritt Norm Armour in das Unternehmen ein und wird die globale Betriebs- und Qualitätsorganisation leiten. Zudem wird er FMC beim Aufbau einer geplanten Speicherchip-Fab in der Nähe von Magdeburg unterstützen, um die europäische Produktionskapazität zu erhöhen. Armour ist ein erfahrener Manager im Halbleiterbereich und bringt mehr als 40 Jahre Erfahrung in der Leitung von Wafer-Fabs und Fertigungsorganisationen mit, sowohl bei Branchenführern als auch bei wachstumsstarken Technologieunternehmen. Dazu gehört die Überwachung großer Greenfield-Bauprojekte für Halbleiter-Fabs. Zu seinen bisherigen Stationen zählen unter anderem Führungspositionen bei Globalfoundries, LSI Logic, Western Digital und Everspin Technologies. »Die Ernennungen von Raj und Norm ist ein wichtiger Meilenstein für das zukünftige Wachstum von FMC und auf unserem Weg, die globalen Industriestandards für Speicherchips und Systemlösungen neu zu definieren«, sagt Thomas Rückes, CEO von FMC. »Damit kommen wir unserem Ziel einen Schritt näher, die Souveränität Europas im Halbleiterbereich zu stärken und eine widerstandsfähige, lokal sichere Halbleiter-Lieferkette aufzubauen.« Erst Mitte November letzten Jahres konnte FMC eine hohe Hürde auf dem Weg zu diesem Ziel nehmen: In einer Serie-C-Finanzierungsrunde unter HV Capital und DTCF hatten die Dresdner 100 Mio. Euro eingesammelt – kaum ein anderes Halbleiter-Startup hat in Europa je zuvor mehr Geld erhalten. |
Die Volumenproduktion steht kurz bevor
Welche Produkte auf Basis der neuen Speicherzellen FMC in Stückzahlen auf den Markt bringen will, steht bereits fest. Das Unternehmen wird diskrete Speicher-ICs, sehr schnelle nichtflüchtige Hauptspeicher, und darauf aufgebaute Module für den OEM- und den industriellen Markt anbieten, die auch in Rechenzentren für KI-Training Einsatz finden. In diesen »DRAM+«-Modulen könne die neue ferroelektrische Technologie laut Rückes ihre Überlegenheit deutlich ausspielen: »Wir erreichen die gleiche Dichte wie DRAMs, sind aber in der energieeffizienten Systemleistungsfähigkeit deutlich überlegen, weil unsere Speicher im Gegensatz zu regulärem DRAM-Arbeitsspeicher nichtflüchtig sind.«
Mit einem ferroelektrischen Chip von FMC könnten deshalb sowohl herkömmliche DRAMs als auch nichtflüchtige NOR- und NAND-Speicherchips in vielen Anwendungen ersetzt werden. »Das reduziert nicht nur die BOM-Kosten; ganz wesentlich ist, dass dadurch die Systemeffizienz deutlich steigt.« Für Leitkunden hat FMC bereits ein ferroelektrisches Speicher-IC entwickelt, dessen Produktion in einer Hochvolumen-Fab in Asien demnächst hochgefahren wird. »Das Produkt-Design ist abgeschlossen, und jetzt steigen wir in die Qualifizierungsphase ein«, berichtet Rückes.
Genau dieses Produkt-Design bildet den Ausgangspunkt für die System-Architektur-Gruppe, die Rückes über das vergangene Jahr in den USA aufgebaut hat, um innovative Speicherkarten plus die zugehörige proprietäre Software zu entwickeln. Sie sind für den Einsatz in KI-Datenzentren konzipiert, wo sie einerseits die Performance steigern und andererseits die Energieeffizienz deutlich verbessern. Bisher müssen die Daten von dem Prozessor über die DRAM-basierten Speicherkarten zu den Storage-Einheiten (NAND-Speicher im Server oder Speicher in der Cloud) hin- und hergeschoben werden. Das kostet viel Strom und damit Energie.
»Auf Basis unserer Technologie können wir die DRAM-Karten und den Massenspeicher durch ein geeigneteres System ersetzen und den Datenverkehr optimieren«, erklärt Rückes. Ziel sei es, die Systemlösungen für den Einsatz un KI-Rechenzentren-Umgebungen weiter voranzutreiben: »Zwar können optische Interconnects das Problem lindern, doch wir können traditionelle Memory- und Storage-Systeme jetzt durch ein optimales kombiniertes System ersetzen und sehen dies als sehr vielversprechend an, um auf dem Markt Fuß zu fassen.«
Sogar ein ganz neuer Speichertyp entsteht
Parallel dazu entwickelt FMC zusammen mit den CEA Leti und einer 300-mm-Logik-Foundry eine weitere Produktlinie auf HfO2-Basis, die auf den Namen »3D Cache+« getauft wurde. Diese Chiplet-Speicher sitzen sehr viel näher an den CPUs oder GPUs als die DRAMs und werden via Heterogeneous -Integration- und Advanced-Packaging-Techniken im System eingebaut. Dabei handelt es sich aber nicht um DRAMs, sondern sie können mit Hilfe von Logikprozessen hergestellt und auf Logikchips integriert werden. Hier muss keine »Memory-Wall« mehr überwunden werden, es können also bisher unerreichte Systemleistungen generiert werden. Außerdem ist die Speicherdichte signifikant höherer als die von SRAMs. »Unser Ziel ist es, sie in fortschrittliche Edge- und High-Performance-Compute-Plattformen (HPC) zu integrieren«, plant Rückes.
Angesichts der anlaufenden Stückzahlfertigung der ersten Produkte von FMC und dem Potenzial der eigenen Technologie blickt er optimistisch in die Zukunft. Es ließen sich ganz neue Märkte erobern, die Roadmap dazu habe FMC in der Schublade.
Das scheint die Investoren zu überzeugen, wie die 100-Miollionen-Euro-Investitionsrunde vom November 2025 zeigt – und FMC ist bereits dabei, die eigene Organisationsstruktur für die weltweite Expansion auszubauen. Das belegt die Berufung von neuen Managern, die jahrzehntelange Erfahrung aus der Halbleiterindustrie mitbringen (siehe Kastentext). Sie wissen, wie neue Technologien und Produkte in die Volumenproduktion gebracht werden – und auch, wie neue Fabs gebaut werden.
