Rram: die kommende Alternative zum Flash-Speicher

Gestern schrieb ich über die Probleme, mit denen Hersteller herkömmlicher NAND-Flash-Speicher konfrontiert sind, die Art von Speicher, die wir in unseren Smartphones, Tablets und SSDs verwenden. Der Flash-Speicher ist in den letzten zehn Jahren enorm gewachsen. Die Dichte hat zugenommen, da die Preise schnell bis zu einem Punkt gefallen sind, an dem kleine Notebooks, die SSDs verwenden, häufig Festplatten und Unternehmenssysteme ersetzen, die viel Flash verwenden. Dies ersetzt nicht und nicht ersetzt Festplatten, die billiger und geräumiger bleiben, hat aber sowohl für Unternehmen als auch für mobile Speichersysteme viele Vorteile gebracht. Die traditionelle Skalierung für NAND-Flash scheint jedoch zu Ende zu gehen, und infolgedessen gibt es viel mehr Aktivitäten in Bezug auf alternative Formen des Speichers.

Um diese Probleme zu lösen, haben Entwickler versucht, neue Arten von nichtflüchtigen Speichern zu entwickeln, wobei die größte Aufmerksamkeit auf STT-MRAM, Phasenwechselspeicher und besonders resistiven RAM mit wahlfreiem Zugriff (RRAM oder ReRAM) gerichtet war. Obwohl es viele verschiedene Arten von RRAM gibt, besteht die Basiszelle normalerweise aus einer oberen und einer unteren Elektrode, die durch ein Abstandsmaterial getrennt sind. Wenn eine positive Spannung angelegt wird, bilden sich leitende Filamente und es fließt Strom durch das Material. Wenn eine negative Spannung angelegt wird, brechen die Filamente und der Abstandshalter wirkt als Isolator.

RRAM und die anderen Alternativen wurden oft zuerst als Ersatz für NAND-Flash oder für traditionelles DRAM konzipiert, werden jedoch zunächst als "Storage Class Memory" (SCM) betrachtet, das eine schnelle Übertragung direkt zur CPU (wie DRAM) ermöglicht) haben eine höhere Dichte (wie NAND-Flash). Die Idee ist, dass auf viel Speicherplatz sehr schnell zugegriffen werden kann, anstatt nur auf eine kleine Menge sehr schnellen DRAM und dann auf eine größere Menge relativ langsamen Flashs (in der Regel mit noch langsameren, aber größeren Festplatten). Der Schlüssel, um diese Arbeit zu machen, besteht darin, eine kleine "Zellengröße" zum Speichern der Speicherbits zu erhalten, die Zellen miteinander zu verbinden und einen Weg zu finden, dies zu einem vernünftigen Preis herzustellen. Natürlich müssten auch Systeme und Software neu strukturiert werden, um diese zusätzlichen Speicherebenen nutzen zu können.

Das Konzept wird seit langem erforscht. Bereits 2010 zeigte Unity Semiconductor (jetzt im Besitz von Rambus) einen 64-MB-ReRAM-Chip. HP hat in den letzten Jahren über seine Memristor-Technologie, eine Form von ReRAM, gesprochen, und das Unternehmen kündigte an, mit Hynix Semiconductor zusammenzuarbeiten, um bis Sommer 2013 einen Ersatz für NAND-Flash auf den Markt zu bringen. Auf dem Gebiet von ReRAM scheint es jedoch große Fortschritte zu geben.

Auf der diesjährigen International Solid States Circuits Conference (ISSCC) zeigten Toshiba und SanDisk (Partner im Bereich Flash-Speicher) einen 32-GBit-ReRAM-Chip, und auf dem Flash Memory Summit in der vergangenen Woche zeigten einige Unternehmen neue Technologien RRAM-Technologie.

Eines der interessantesten ist Crossbar, bei dem RRAM-Zellen auf Silberionenbasis verwendet werden, die in einem "Crossbar-Array" -Layout miteinander verbunden sind, um die Dichte zu erhöhen. Das Unternehmen zeigte auf dem Gipfeltreffen einen Prototyp, der sowohl den Speicher als auch einen Controller auf einem einzigen Chip enthält, und hofft, dass die Technologie nächstes Jahr kommerzialisiert wird, obwohl die endgültigen Produkte voraussichtlich nicht vor 2015 erscheinen werden. Crossbar gibt an, dass sein RRAM über 50 verfügt Mal niedrigere Latenz als NAND-Flash, und dass auf dieser Technologie basierende Solid-State-Disks (SSDs) keine DRAM-Caches und Wear-Leveling erfordern, wie sie heutzutage bei NAND-basierten SSDs üblich sind.

Crossbar gibt an, von TSMC hergestellte Arbeitsproben zu haben, und sein erstes kommerzielles Produkt wird ein eingebetteter Speicher sein, der in einem SoC verwendet wird, hat jedoch nicht viele Details bekannt gegeben. Es wurde jedoch berichtet, dass das Unternehmen hofft, einen 1-TB-Chip mit einer Größe von etwa 200 Quadratmillimetern produzieren zu können.

SK Hynix, der ebenfalls an der Technologie arbeitet, hat über die Vorteile von RRAM in Bezug auf eine geringere Latenz und eine längere Lebensdauer als NAND gesprochen und wie dies in Speichern der Speicherklasse sinnvoll ist. RRAM-Geräte können mit einem Crossbar-Array oder mit einem vertikalen Array wie 3D-NAND gebildet werden, aber beide haben Herausforderungen. SK Hynix zufolge werden die ersten RRAM-Geräte voraussichtlich um 2015 zwei- bis dreimal so teuer sein wie NAND-Flash und vor allem für Nischen-Hochleistungsanwendungen eingesetzt.

In der Zwischenzeit arbeiten viele andere Unternehmen im Raum. Während Toshiba und SanDisk in diesem Jahr einen Prototyp-Chip zeigten, zeigt Sony seit 2011 RRAM-Papiere und arbeitet 2015 mit Micron an der Entwicklung eines 16-GB-Chips. Aber selbst wenn die Speicherzelle und die Arrays einwandfrei funktionieren würden, würde es noch lange dauern die Steuerungen und Firmware zu entwickeln, um sie funktionsfähig zu machen.

Angesichts des Hype, der mit neuen Technologien einhergeht, und der Tendenz, dass ältere Technologien weiter wachsen, als man denkt, ist es unwahrscheinlich, dass die NAND-Flash-Speicher- oder DRAM-Märkte bald verschwinden, und es würde mich nicht überraschen, wenn RRAM länger dauert ausziehen, als seine Unterstützer denken. Die Endprodukte dürften sich sehr von den jetzt gezeigten Prototypen unterscheiden. Es zeichnet sich jedoch ab, dass RRAM in den nächsten zwei oder drei Jahren den Sprung vom Labor zum kommerziellen Markt schaffen wird. In diesem Fall könnte dies einen tiefgreifenden Einfluss auf die Systemauslegung haben.