Meilensteine der Speichertechnik Halbleiterpionier George Perlegos wird für sein Lebenswerk ausgezeichnet

Der Flash Memory Summit hat seinen Lifetime Achievement Award 2017 an George Perlegos verliehen. Der Gründer dreier erfolgreicher Halbleiterunternehmen wurde für sein Portfolio an Innovationen auf dem Gebiet der integrierten Speicherbausteine ausgezeichnet, auf das zahlreiche Spitzentechnologien im Bereich der Elektronik zurückgehen.

Vom Smartphone über das autonome Fahren bis zum Internet of Things: All diese modernen Trends und Technologien wären ohne die Grundsteine, die George Perlegos im Speicherbereich gelegt hat, heute wahrscheinlich undenkbar. Aus diesem Grund wurde der Halbleiterpionier auf dem Flash Memory Summit 2017 für sein Lebenswerk ausgezeichnet.

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Schon 1974 legte Perlegos mit dem NMOS-EPROM eine der wichtigsten Grundlagen für moderne Flash-Technik. Gordon Moore sagte, das Erasable Programmable Read Only Memory sei „in der Entwicklung der Mikrocomputer-Industrie ebenso wichtig gewesen wie der Mikroprozessor selbst“. Vom Computer bis zum Herzschrittmacher sind die darin enthaltenen Prozessoren auf Programme angewiesen, die ihnen sagen, was sie zu tun haben.

Früher wurden diese Programme auf externen Speicherplatten abgelegt, die allerdings sperrig und teuer waren. 1970 entwickelte Dov Frohman das erste EPROM (Intel 1702) auf der Basis einer PMOS-Floating-Gate-Struktur. 1974 dann entwarf George Perlegos das NMOS-EPROM Intel 2708 basierend auf einem neuen Prozess, der mit Kanalinjektion und einer einzelnen zweilagigen Polysilizium-Zelle die Herstellung eines nichtflüchtigen Speichers mit hoher Dichte und kurzen Zugriffszeiten ermöglichte: Der Speicher behielt seine Information auch ohne Stromversorgung. Durch Bestrahlung mit UV-Licht durch ein Fenster an der Gehäuseoberseite konnte er außerdem einfach gelöscht und anschließend neu programmiert werden.

In Verbindung mit dem Intel 8080, dem ersten kommerziell erfolgreichen integrierten Prozessor, wurden auf einmal kostengünstige Systeme auch in geringen Stückzahlen möglich. Bei den elektronischen Systemen zeichnete sich fortan ein Wandel ab – weg vom Zusammenbau zahlloser reiner Hardwarebauteile und hin zur Verwendung von Software als zentrales Element des Designs.

Nach Ansicht der Jury des Flash Memory Summit markierte diese Entwicklung maßgeblich den Beginn des Embedded-Computing-Zeitalters. Weitere Meilensteine auf dem Gebiet der Speicherbausteine sollten folgen.

5-V-EPROM (Intel, 1976)

In ihrer Frühzeit benötigten EPROMs drei Versorgungsspannungen (-5 V, +5 V und +12 V), sodass eine ganze Reihe externer Stromversorgungen erforderlich war. Perlegos nutzte eine selbstjustierende Polysilizium-Gatestruktur und die Ionenimplantation im Kanal zur Verstärkung der Kanalinjektion, wodurch der Betrieb nur mit 5 V möglich wurde. Der 5-V-Baustein 2716 von Intel kam ohne die zusätzlichen Bauteile aus, was kleinere und kostengünstigere Endprodukte ermöglichte. Auch das Systemdesign wurde einfacher, und batteriebetriebene Produkte wurden auf einmal realistisch.

Byteweise löschbares 16-KBit-EEPROM für 10.000 Lösch-Schreib-Zyklen (Intel, 1978)

Frühere nichtflüchtige Datenspeicher waren klein (< 1 KBit) und konnten nur wenige Male gelöscht und neu programmiert werden. Gestützt auf die Vorarbeit von Dawon Kahng (Bell Labs, Patent Nr. 3.500.142), nutzte Perlegos zum Programmieren und Löschen die zweilagige Poly-Stack-Gate-Technologie und das Durchtunneln sehr dünner Oxidschichten (< 100 Å) zur Entwicklung des nichtflüchtigen 16-KBit-Datenspeichers 2816 von Intel. Erstmals konnten einzelne Bytes umprogrammiert werden, ohne stets große Speicherblöcke zunächst löschen und anschließend neu programmieren zu müssen.

Dank der Endurance von 10.000 Lösch-Schreib-Zyklen kamen lokale Datenspeicher ohne Stützbatterie aus. Da ferner die Löschung nicht mehr mit UV-Licht erfolgen musste, ließ sich das Gehäuse des Speichers kleiner machen, und die Löschung war im eingebauten Zustand möglich.

Fortan konnten sich portable elektronische Systeme im Feld selbst aktualisieren, was das Wachstum tragbarer elektronischer Geräte erheblich vereinfachte und beschleunigte.

In-System-programmier- und löschbares 5-V-EEPROM (SEEQ, 1981)

Die EEPROMs der ersten Generation benötigten hohe Spannungsimpulse von +12 V zum Löschen und Programmieren, was eine zusätzliche Stromversorgung im System erforderlich machte. Bei SEEQ Technologies nutzte Perlegos Oxinitrid-Dielektrika und einen integrierten Spannungsvervielfacher, um ohne externe 12-V-Versorgung auszukommen und die Tunnelprogrammierung mit der +5-V-Versorgung zu erlauben. Diese Fortschritte machten das Systemdesign einfacher und senkten den Leistungsbedarf für die Programmierung, was kleinere Batterien und niedrigere Kosten ermöglichte. Diese Bausteine sind nach wie vor in Gebrauch – in der Flash-Speicher-Industrie und in praktisch jedem eingebetteten Steuerungssystem, Smartphone, Laptop, Auto, IoT-Gerät usw.

Erster 5-V-NOR-Flash-Speicher (Atmel, 1988)

1984 ließ George Perlegos intel und SEEQ Technologies hinter sich und gründete den Speicher- und Mikrocontrollerspezialisten Atmel (“advanced technology for memory and logic”. Auch dort trug er maßgeblich zum technologieschen Fortschritt speziell flash-basierter Speicherentwicklungen bei.

EPROMs waren zwar kostengünstig, ließen sich aber nicht im System löschen und neu programmieren. EEPROMs dagegen erlaubten die In-System-Reprogrammierung, waren dafür aber teuer. Perlegos nutzte den bewährten Tunneleffekt zur Einführung des ersten, nur mit 5 V auskommenden Flash-Speichers, der die Löschung großer Blöcke auf einmal ermöglichte und damit eine Lösung für den gerade beginnenden Mobiltelefonmarkt bot. Mit der Fähigkeit, Programmcode aus der Ferne zu verändern, erlaubten Flash-Speicher den ersten Mobiltelefon-Herstellern das Updaten ihrer bereits in Kundenhand befindlichen Produkte, um die sich weiterentwickelnden Normen zu unterstützen.

Erster Flash-Mikrocontroller der Welt (Atmel, 1994)

Unter Perlegos‘ Leitung und unter Verwendung vieler der bereits erwähnten Innovationen kombinierte Atmel seinen Flash-Memory-Prozess mit einem CMOS-Logikprozess und produzierte mit dem 89C51 den ersten Flash-basierten Mikrocontroller (MCU). Durch die Trennung zwischen Programm- und Datenspeicher ließ der 89C51 Fern-Updates vor Ort zu, während der Inhalt des Datenspeichers erhalten blieb. Um die Möglichkeiten der chipintegrierten Flash- und EEPROM-Speicher vollständig auszuschöpfen, optimierte das Atmel-Team die neue Mikrocontroller-Architektur ACR mit dem Ziel, die Voraussetzungen für eine neue Generation eingebetteter Intelligenz zu schaffen. Durch Integration der Flash-basierten Mikrocontroller mit spezifischen Peripherieschaltungen entstanden kostengünstige Single-Chip-Lösungen für ein wachsendes Universum an eingebetteten Systemen, das inzwischen mit der IoT-Industrie seine Fortsetzung findet. (Patente Nr. 5.493.534, 1999 und 6.032.248, 1998)

Im Jahr 2000, sieben Jahre vor Einführung des Smartphones, prognostizierte Perlegos im World Report Silicon Valley (28. Oktober 2000): „Sie werden alles mit Ihrem Telefon machen wollen. Irgendwann werden Sie auf Ihrem Telefon Fotos anschauen wollen, irgendwann die Börsenkurse im Blick behalten und irgendwann mit dem Telefon einkaufen wollen. Und was alle wünschen werden, ist der elektronische Handel, was wiederum Bilder [und Sicherheit] bedeutet. Wenn wir aber Fotos in das Telefon bringen, brauchen wir auch eine Kamera. Durch die Erfassung Ihres Fingerabdrucks wird Ihr Telefon Sie als Benutzer erkennen und sich einschalten, und kein anderer wird es aktivieren können.“

Die kommerziell taugliche Fingerabdruckerkennung in Smartphones sollte erst 2013 kommen. Der E-Commerce-Sektor war gerade erst im Entstehen, und der Marktanteil von Amazon am Einzelhandel der USA betrug weniger als 0,1 % – heute sind es über 5 %. Mobiltelefone waren damals als Klapp-Handys verbreitet, die nur zum Telefonieren und für SMS genutzt werden konnten – also keine Fotos, kein Internet, kein E-Commerce und keine Sicherheit.

Alan Niebel, CEO von WebFeet Research und seit 22 Jahren auf dem Gebiet der Flash-Speicher tätig, erklärte: „Die Weitsicht, die harte Arbeit und der technische Scharfsinn von George Perlegos sind aus der modernen Elektronik nicht wegzudenken. Sie trugen direkt und maßgeblich zu unserer heutigen und künftigen Lebensweise bei. Das explosionsartig wachsende Internet of Things ist nur ein Beispiel dafür. Viele der ‚Dinge‘, die jetzt per Internet gesteuert werden, basieren auf selbstprogrammierenden Flash-Mikrocontrollern und können deshalb fühlen, agieren, kommunizieren und Anweisungen per Internet entgegennehmen.“

George Perlegos gründete drei erfolgreiche Halbleiterunternehmen, nämlich SEEQ Technologies (1974), Chips and Technology (1984) und Atmel (1984). Er ist Inhaber von 16 Patenten für Innovationen im Bereich der Speichertechnologie und der Bauelementephysik.

* Diesen Beitrag haben wir von unserem Partnerportal Elektronikpraxis übernommen.

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