CMOS-kompatible ReRAMs Doping für neuronale Netze

Stürmische Entwicklung der KI-Chips

Deshalb arbeitet das IITD seit Ende vergangenen Jahres mit der 2015 gegründeten israelischen Firma Weebit Nano zusammen, die ReRAMs auf Basis von SiOx entwickelt.

Das Ziel besteht erstens darin, sowohl eine Alternative zu den herkömmlichen Flash-Speichern als auch neue die SiOx-ReRAMs zu entwickeln, um daraus Hardware für neuromorphes Computing und für KI zu realisieren. Laut CEO Coby Hanoch lassen sich auf Basis von ReRAMs hochdichte und skalierbare Synapsenfelder für neuromorphe Architekturen aufbauen, weil sie ihre biologischen Vorbilder schon auf der Hardware-Ebene nachbilden. Damit seien sie viel energieeffizienter als heutige KI-Systeme.

Auch er legt großen Wert darauf, die Technik in die heute üblichen CMOS-Prozesse zu integrieren; das Unternehmen sei auf diesem Weg schon ein gutes Stück vorangekommen. Die SiOx-Technik hatte ursprünglich Prof. James Tour von der Rice University, Houston, Texas, entwickelt. SiOx ist in der CMOS-Fertigung wohlbekannt, erfordert also ebenfalls keine exotischen Prozesse.

Ende August vergangenen Jahres hatte Weebit die ersten gehäusten ReRAM-Chips vorgestellt, die auf Basis der eigenen SiOx-Technik arbeiten. Zuvor hatte Weebit im Juni ein 1-Mbit-Array auf Basis eines 40-nm-Prozesses demonstriert. »Wir konnten dieses Ziel früher als geplant erreichen, weil wir ausschließlich Standard-Materialien verwenden«, erklärte Coby Hanoch damals. Die Tests hatte CEA/Leti durchgeführt.

Mit dem französischen Forschungsinstitut arbeitet Weebit schon seit September 2016 eng zusammen, um die SiOx-Technik in die Standard-Fertigung zu bringen. Leti hatte die ICs auf Basis des 40-nm-Prozeses auf 200-mm-Wafern gefertigt. Kurz vor Weinachten haben die Partner den Ausbau ihrer Kooperation bekannt gegeben. Die Fertigung der SiOx-ReRAMs soll nun auf 300-mm-Wafer und 28-nm-Prozesse überführt werden. »Keine andere nichtflüchtige Speichertechnik arbeitet meines Wissens nach mit Strukturgrößen unter 20 nm, deshalb ist sie für alle IC-Hersteller interessant, insbesondere für den Einsatz im KI-Umfeld«, so Hanoch. Bis zum vierten Quartal dieses Jahres rechnet er mit dem Abschluss der Entwicklung für die Fertigung auf 300-mm-Wafern.

Der Markt für KI-Chips soll sich stürmisch entwickeln. Analysten rechnen mit einem durchschnittlichen jährlichen Wachstum von 54 Prozent zwischen 2017 und 2021. Kein Wunder, dass sich schon zahlreiche etablierte Firmen und Startups damit intensiv beschäftigen, rund 30 sollen es derzeit sein.

Auf dem Gebiet der ReRAMs tummeln sich neben Weebit ebenfalls weitere Firmen, die diese Technik nicht nur als Alternativen zu den Flash-Speichern weiter entwickeln, sondern auch als Grundlage für neuromorphes Computing. Dazu zählt beispielsweise Crossbar aus Kalifornien, die ihren IP bereits an Microsemi lizenziert hat, die ReRAMs in FPGAs und SoCs einsetzen will. Auch Sylvan Dubois, VP of Strategic Marketing & Business Development von Crossbar, führt als einen wesentlichen Vorteil der eigenen ReRAM-Technologie an, dass er keine exotischen Materialien erfordere und problemlos in Standard-CMOS-Prozesse integrierbar sei: »ReRAM hat das Potenzial, eine herausragende Rolle sowohl in derzeitigen KI-Systemen als auch in grundlegend neuen KI-Hardware-Entwicklungen zu spielen und vor allem KI in die Edge-Geräte zu bringen.«

Die 2007 gegründete australische Firma 4DS arbeitet in der Entwicklung von ReRAMs mit HGST zusammen, einer Tochter von Western Digital, und seit 2017 auch mit dem Imec, um den eigenen Prozess bis zum ersten Quartal dieses Jahres auf 300-mm-Wafer zu transferieren. 4DS setzt dabei auf ein neues Material (PrCaMnO3), behauptet aber, dass sich das Material ohne neue Maschinen in Standard-CMOS-Prozesse integrieren ließe, und will das zusammen mit Imec schon in Kürze demonstrieren. Was genau hinter der besonderen Memristor-Technik aus Jülich steckt, was sie verspricht und was Europa tun muss, um den Anschluss nicht zu verlieren, erfahren Sie im Interview mit Dr. Ilia Valov in der kommenden Markt&Technik-Ausgabe.