14.04.2020 (Ariane Rüdiger)
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Weebit ReRam: Neuartige Generation von Non-Volatile-Memory

  • Inhalt dieses Artikels
  • MRAM und ReRAM erfordern meist veränderte Fertigungstechnologie
  • Zielmärkte Embedded-SoCs und neuromorphes Computing
  • Hauptmarkt: Asiatische Tier-2-Firmen
  • Der Einstieg in den Rechenzentrumsmarkt dauert
  • Partnerschaft mit CEA-LETI bei diskreten Memory-Modulen

Schematischer Aufbau einer Speicherzelle von Weebit Nano: Zwischen zwei Metallschichten befindet sich eine Schicht aus Siliziumoxid mit Störstellen. Durch Anlegen von Strom in der einen oder anderen Richtung wandern Elektronen in die SiOx-Schicht ein oder treten aus, was die Speicherzelle zwischen zwei deutlich unterscheidbaren Stadien (0 und 1) umschaltet. Der jeweilige Zustand bleibt ohne Stromfluss erhalten (Grafik: Weebit).Schematischer Aufbau einer Speicherzelle von Weebit Nano...Bei allen Vorteilen, Flash-Storage hat aber gravierende Nachteile: Die Technologie ist relativ teuer und in ihrer Haltbarkeit begrenzt – je dichter die Bits, je mehr Lagen ein solcher Speicher hat, desto kürzer ist seine Haltbarkeit und desto mehr Software-Aufwand muss betrieben werden, um einen vorzeitigen Verschleiß zu verhindern.

Deshalb wird an einer neuen non-volatile Speichergeneration, persistentes Memory, gearbeitet, die erheblich schneller und energiesparsamer sein soll. Zwei Varianten machen besonders von sich reden: ReRAM (Resistive RAM) und MRAM (magneto-resistiver RAM). Bei ReRAM wird die Information durch Veränderungen in der Leitfähigkeit eines Dielektrikums mit Störstellen gespeichert. Bei MRAMs wird derselbe Effekt durch die Magnetisierbarkeit eines Materials und das Anlegen eines elektromagnetischen Feldes erreicht. Ein Nachteil von MRAMs ist, dass sie anfälliger gegen elektromagnetische Felder sind als ReRAMs.

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MRAM und ReRAM erfordern meist veränderte Fertigungstechnologie

Derzeit arbeiten diverse Unternehmen an ReRAM- und MRAM-Technologien, wobei die Crux meistens in der Fertigungstechnik liegt. Um die gewünschten Eigenschaften herzustellen, werden öfter andere Materialien verwendet als in der bisherigen Silizium-Elektronik, die wiederum umfangreiche Anpassungen der bisherigen Fabrikationstechnik verlangen.

Einer der Hersteller, die sich auf ReRAM spezialisiert haben, ist das israelische Startup Weebit Nano. Das Führungsteam des Anbieters setzt sich aus erfahrenen Halbleiterspezialisten zusammen: CEO Coby Hanoch war CEO von Packetlight und schaffte den Turnaround des vom Bankrott bedrohten Unternehmens. Chairman David Perlmutter managte als Chief Product Officer die Intel Architecture Group. CTO Amir Regev bringt 20 Jahre Erfahrung mit NVM (Non-volatile Memory aus verschiedenen Firmen (Intel, Sandisk, Micron, Marvel).

Das Ausweichen auf andere Materialien erkläre die langen Entwicklungsverzögerungen bei anderen Herstellern, so Webit-Nano-CEO Hanoch. Crossbar, ein US-ReRAM-Spezialist, sei dafür ein Beispiel. Ein weiterer potentieller Konkurrent, Adesto ging in Konkurs, Teile wurden von Dialog Semiconductor aufgekauft und auf IoT ausgerichtet. In der US-Firma Everspin, die auf eine MRAM-Technologie setzt und bereits produziert, sieht Hanoch allerdings einen ernsthaften Konkurrenten. Laut LETI sind zur Fertigung höchstens ein bis zwei neue Masken in 28-Nanometer-Technologie nötig, üblich wären bei konventionellem Flash bis zu zehn.

Zielmärkte Embedded-SoCs und neuromorphes Computing

Dass sich Weebit Nano auch bei der ReRAM-Entwicklung auf Siliziumoxid (SiOx) verlässt, ist wohl einer der Gründe für das schnellere Vorankommen. Das Unternehmen steht nach eigenen Angaben inzwischen kurz davor, ein erstes Memory-Modul für den Embedded-Bereich vorzustellen. »Unsere Lösung ist so gut wie fertig«, sagt Hanoch. Die Kapazität des zu erwartenden Memory-Moduls liegt im MByte-Bereich, seine Lebensdauer bei Millionen Zyklen, was laut laut Hanoch eine Haltbarkeit von zehn Jahre bedeute.

Weebit hat vorläufig vor allem den Embedded-Markt im Auge, zu dem auch viele Edge-Anwendungen gehören. Die typischen Embedded-Module kommen als SoC (System on a chip), vereinigen also das Memory mit anderen Komponenten. Daten, beispielsweise aus den Sensoren, die das Embedded-Modul beliefern, kommen meist in kleinen Mengen, dafür aber häufig und werden auch so gelesen. »Flash kann man nur blockweise beschreiben«, erklärt Hanoch. »Der Selektor unseres Memorys, ein einfacher Transistor, wählt die Schreib- und Lesebits gezielt aus.« Außerdem sei die Lösung wegen der SiOx-Technologie einfach integrierbar.

Eine weitere Eigenschaft bringt die Weebit-Speicher in Position für die Märkte rund um neuromorphes Computing: Neuromorphes Rechnen versucht, die Arbeitsweise des Gehirns abzubilden. Verarbeitungslogik und Speicherung verschmelzen hier miteinander. Die Schaltkreise können ihre interne Struktur durch Lernvorgänge immer wieder verändern. Hardware übernimmt hier teilweise die Aufgaben, die bei konventionellen Rechnern durch Software gelöst werden.

Im Zentrum einer neuromorphen Rechnerarchitektur steht meist ein analoger Rechenkern, der mit entsprechend neuartigen Speicherbausteinen, etwa ReRAM, ausgerüstet ist. »Unser ReRAM funktioniert im Grunde wie eine Synapse im Gehirn«, meint Hanoch. Daher passten darauf basierende Lösungen ideal zu diesem neuartigen Computertyp. Allerdings befindet sich die neuromorphe Technologie in einem sehr frühen Entwicklungsstadium und ist Meilen entfernt von einer größeren Verbreitung.

Hauptmarkt: Asiatische Tier-2-Firmen

Die derzeitige Vermarktungsstrategie von Weebit Nano ist naturgemäß gegenwartsbezogener. Wichtigster Markt soll vorläufig China respektive Asien werden, wo ein immenser Hunger nach Halbleitern besteht. Zwei chinesische Partner wurden schon bekannt gegeben: SiEn, ein chinesischer Spezialist für integrierte Devices, hat die Absicht, die Weebit-Lösung für den Einbau in Embedded-Systeme in seinen Laboren und Fabs zu erproben. Ein weiterer Partner soll aus Korea kommen, über den möchte der Hersteller allerdings noch nicht sprechen.

Bekanntlich ist der Weg vom Produkt bis zur integrierten Lösung mit chinesischen Partnern allerdings gelegentlich lang und gewunden. Schlimmstenfalls fließt auch Know-how ab.

Der Einstieg in den Rechenzentrumsmarkt dauert

Schwieriger und langwieriger wird sich der Eintritt in den Rechenzentrumsmarkt gestalten, geplant ist er aber auf jeden Fall. Zwei bis drei Jahren soll es noch dauern, bis ein Produkt ähnlicher Reife vorliegt wie nun für den Embedded-Markt. Im Rechenzentrum werden diskrete Memory-Module benötigt, also solche, auf denen sich weiter keine Systemmodule befinden.

Außerdem ist das Konkurrenzumfeld größer: Auch Flash-Technologien wie das von Intel und Micron vorgestellte 3D XPoint, eine dreidimensional strukturierte Technologie mit erhöhter Dichte, werden hier punkten. Dazu kommt beispielsweise Everspin, ein MRAM-Spezialist, der bereits Produkte am Markt hat.

XTX, ein chinesischer Hersteller von Flash-Speichermodulen auch für Rechenzentren, möchte, so Weebit Nano, seine Produkte technologisch aufrüsten. Hier sei die Verifizierung der Weebit-Lösung abgeschlossen, nun redet man darüber, wie sich eine Lösung umsetzen ließe.

Partnerschaft mit CEA-LETI bei diskreten Memory-Modulen

»Wir brauchen für die diskreten Module einen anderen, kleineren Selektor als im Embedded-Bereich«, erklärt Weebit-CEO Hanoch. Dieser werde jedoch nicht selbst entwickelt. Die Aufgabe hat ein Forschungsinstitut in Grenoble gelöst: CEA-LETI (Laboratoire d'electronique des technologies de l'information), wo seit fünf Jahren an einem für diskrete ReRAM-Module tauglichen Selektor getüftelt wird. »Wir werden diesen Selektor in unseren RZ-tauglichen Memory-Chips vermarkten«, erwartet Hanoch.

Ob Weebit Nano seine ehrgeizigen Pläne in die Tat umsetzen kann, wird unter anderem davon abhängen, wie schnell der Hersteller weitere Partner gewinnt und ob die bestehenden Partner letztlich halten, was sie versprechen. Es muss sich erweisen, ob die Wette auf Asien und insbesondere China tatsächlich zu den gewünschten Resultaten führt. Immerhin hat sich China vorgenommen, bis 2025 bis zu 80 Prozent seiner Halbleiter selbst zu erzeugen – wer weiß, an welchen neuartigen Speichertechnologien dort in getüftelt wird.


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