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Auch eine disruptive Technik hat Wurzeln in der Vergangenheit, Teil 1 Flash-Alternativen für die Zukunft

| Autor / Redakteur: Hermann Strass / Rainer Graefen

Gibt es für Halbleiterspeicher ein Leben nach dem Flash? Ja! Auch für Flash-Speicher gilt, wie für jede andere Technik, irgendwann gerät sie an physikalische Grenzen.

Verbindung zur besseren Isolierung von Halbleiterstrukturen
Verbindung zur besseren Isolierung von Halbleiterstrukturen
(Grafik: Applied Materials)

Ein Beispiel: Bei den Mikroprozessoren konnte die Taktrate nicht mehr gesteigert werden. Also wurden zunächst zwei und später mehrere Prozessoren in einen Chip integriert. Danach wurden Chips ohne Gehäuse aufeinander geklebt.

Bei Flash-Speichern gab es zunächst MLCs und dann wurden ebenfalls mehrere Chips aufeinandergeklebt. Auch die Basis-Speicherzelle wurde und wird weiter verbessert. Wenn das nicht mehr genügend Entwicklungsspielraum bietet, dann sind Alternativen gefragt. Einige Varianten und Alternativen werden nachfolgend vorgestellt.

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Vorbemerkungen

Derzeit kostet eine Fabrikationsanlage (Fab) für Flash-Speicher-Bauelemente einige Milliarden US-Dollar. Von der Grundsteinlegung bis zur Produktionsreife dauert es etwa fünf Jahre. So ist verständlich, dass die Unternehmen lieber die laufenden Produktionsprozesse verbessern als etwas Neues zu bauen. Das Risiko ist groß, auf die falsche Technik zu setzen. Wer weiß schon was in fünf oder mehr Jahren Stand der Technik ist.

Auch die zukünftigen wesentlichen Anforderungen (Geschwindigkeit, Speicherkapazität, Preis, Zusatzfunktionen) sind nicht unbedingt vorhersehbar. Technische Alternativen gibt es bereits jetzt in großer Zahl. Einige davon werden aber derzeit nicht oder nur für spezielle Anforderungen, produziert, weil sie preislich noch nicht wettbewerbsfähig sind.

Auf jeden Fall ist der Preis für den Endverbraucher das wichtigste Kriterium. Was heute so aussieht als wäre es in fünf Jahren preisgünstig herzustellen, wird dann vielleicht von einer anderen Technik beiseite gedrängt. Die Risiken sind nicht zu unterschätzen.

Die technischen Mühlen mahlen langsam

Solche Entwicklungsabläufe sind nichts Neues. Bei den Festplatten sind ähnliche Entwicklungslinien sichtbar. In dem von mir geschriebenen Massenspeicher-Buch habe ich schon Anfang der 90er-Jahre über senkrechte magnetische Speicherung (perpendicular magnetic recording) berichtet.

Die ersten Festplatten mit diesem Aufzeichnungsformat kamen allerdings erst 2006 auf den Markt. Die ebenfalls in meinem Buch beschriebene Speicherung mit Hitzeunterstützung (heat assisted magnetic recording = HAMR) ist noch immer in Erprobung und soll in zwei, drei Jahren der Festplatte zu neuen Höhenflügen verhelfen. HAMR wurde 1954 ursprünglich von RCA patentiert.

Was zukünftig zumindest möglich sein könnte in den Bereichen Speicher oder Halbleiter, findet man fast immer zuerst bei IBM, da deren Patentabteilung eine eifrige Forschungsmannschaft betreut und sehr rührig ist. Ein wesentlichen Anteil der IBM Umsätze stammt von hier. Die Produktion überlässt man gerne den Fabs der bekannten Hersteller.

Produktionsprozesse für Flash-Speicher

Bei Strukturgrößen im Bereich von 10 Nanometern (nm) beträgt die Zahl der kritischen Elektronen im floating gate, der eigentlichen Speicherzelle, eines herkömmlichen Flash-Speichers etwa zehn. Das sind bei einer Gesamtzahl von etwa 100 Elektronen zu wenig. Bei einer Varianz von zehn Elektronen ist es sehr schwer zu detektieren, ob die Speicherzelle ein korrektes Bit enthält.

MuGFET, MigFET

Mit (multiple gate field-effect transistor) MuGFET-Elementen kann erreicht werden, dass weniger Leckstrom im Aus-Zustand (off-state) und ein größerer Betriebsstrom im Ein-Zustand (on-state) fließt. Es gibt die Varianten: Eine Elektrode steuert mehrere gates oder aber die gates werden individuell angesteuert. Diese zweite Variante ist auch als Multiple Independent Gate Field Effect Transistor (MiGFET) bekannt.

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