Arbeitsspeicher: NRAM-Technologie geht in die Serienfertigung

Auf der Hot Chips 2018 hat Nantero über die neue Speichertechnologie NRAM oder auch Nanotube RAM gesprochen. Die Technologie habe bereits alle Tests für die Serienfertigung bestanden und könnte noch bei DDR4-Modulen als Alternative zum DRAM zum Einsatz kommen.

Die Speichertechnologie mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CNT, carbon nano tube) wird von Nantero bereits seit über fünfzehn Jahren entwickelt. Auf der diesjährigen Hot Chips 2018 konnte das Start-Up-Unternehmen die Serienreife von NRAM verkünden. Frühestens im kommenden Jahr soll der Speicher verfügbar sein.

Elektrostatische Impulse als Steuerung der CNT

Die Steuerung einer Speicherzelle auf Basis von Kohlenstoff-Nanoröhrchen erfolgt über elektrostatische Impulse. Zwischen zwei Elektroden werden die Nanoröhrchen angeordnet und der Widerstand ändert sich, je nachdem wie viele der Röhrchen aneinanderkleben. Über eine Messtechnik lassen sich so zwei unterscheidbare Zustände messen, was die Grundvoraussetzung einer Speicherzelle ist.

Vorteile des CNT-Speichers

Laut Nantero hat der NRAM-Speicher im Vergleich zu dem DRAM-Speicher einige Vorteile. Die CNT-Zellen sollen wesentlich widerstandsfähiger sein und sogar bei einem Dauereinsatz unter 300 Grad Celsius über eine Lebenserwartung von über 300 Jahre verfügen. Bei Raumtemperatur sollte die Lebensdauer der Zellen ein bis zwei Größenordnungen höher liegen, schreibt heise online. AnandTech berichtet von 10.000 Jahren.

Die Schaltgeschwindigkeit von NRAM liegt in etwa auf dem Niveau von DDR4-SDRAM, womit sich die Speicherzellen sogar von der Flash- und 3D-XPoint-Technologie absetzen kann. NRAM ist nichtflüchtiger Speicher und könnte theoretisch auch als Massenspeicher verwendet werden.

Fujitsu ist erster Kunde von Nantero

Fujitsu plant den NRAM-Speicher in den kommenden Prozessoren zu verbauen. Die Schwierigkeiten der Fertigung bei NRAM will Nantero nun beseitigt haben. Das größte Problem stelle aktuell das nachträgliche Aufbringen auf dem eigentlichen Silizium mit den Logik-Transistoren dar. Erwartet wird, dass Fujitsu die ersten CPUs mit bis zu 32 Megabyte NRAM zum Jahreswechsel präsentieren kann.

NRAM auf DDR4-Speichern

Die NRAM-Speicherchips könnten allerdings auch auf DDR4-Speichern zum Einsatz kommen. Nantero hat entsprechende DDR-kompatible Chips bereits entworfen, welche im 28-nm-Verfahren gefertigt werden. Entsprechende DDR4-Module mit NRAM müssen aber von der JEDEC noch zertifiziert und genehmigt werden. Die 8-Gbit-Chips sollen rund 100 mm² messen und über zwei Layer verfügen.

Für die Zukunft sind mit feineren Fertigungsprozessen mehr Speicherzellen pro Schicht und mehr Schichten pro Chip angedacht. Die Prognose geht bis hin zu 512 Gbit bei einem 8-Layer-Chip in 7 nm, was aber noch weit in der Ferne liegt. Das Stapeln mehrerer Chips (Die Stacking) in einem Package sorgt für mehr Speicherplatz pro Modul.

NRAM für Massenspeicher nur bedingt möglich

Da es sich bei den CNT-Zellen um nichtflüchtigen Speicher handelt, könnten diese grundsätzlich auch als Massenspeicher in Laufwerken verbaut werden. Ähnlich wie bei Flash-Speicher seien zwei Bit pro Zelle (MLC) denkbar. Getestet wurde das Verfahren bislang aber noch nicht. Die ersten NRAM-Chips nutzen ein Bit pro Zelle (SLC).

Dass sich NRAM als Massenspeicher kaum anbietet, liegt am vergleichsweise niedrigen Speicherplatz: NAND-Flash ist bereits bei über 1 Terabit pro Die angekommen, NRAM startet mit lediglich 8 Gigabit.

NRAM als Zukunftsspeicher mit guter Skalierung

Nantero peilt nach 28 nm zunächst 14 nm und später 7 nm an. Auch eine Herstellung mit weniger als 5 nm sei möglich. Erst bei 1 nm stoße man an Grenzen.

Wie immer bei neuen Techniken gilt es abzuwarten, wie viele der großen Versprechen aus dem Vorfeld sich auch umsetzen lassen und den Markt erreichen.