Wie gut müssen Flash-Alternativen eigentlich noch werden?

Hürden für den Einzug neuer Halbleiterspeicher liegen hoch

| Autor / Redakteur: Walter Schadhauser / Rainer Graefen

Samsung und Toshiba produzieren aktuell DDR4-DRAM-Hauptspeicher in der 1x-Nanometerklasse mit Kapazitäten von 32 GByte zum Stückpreis von rund 500 Euro.
Samsung und Toshiba produzieren aktuell DDR4-DRAM-Hauptspeicher in der 1x-Nanometerklasse mit Kapazitäten von 32 GByte zum Stückpreis von rund 500 Euro. (Bild: Samsung)

Flash-Alternativen gibt es inzwischen mehr als zwei Hand voll. Schneller und langlebiger soll sie sein, die nächste Generation der Halbleiterspeicher, so versprechen die Akteure in diesem Feld. Ebenso mit besseren Funktionen aufwarten. Allerdings stehen dem breiten Einzug in die Arena bislang die hohen Investitionen in neue Fertigungsstätten und Halbleiterlayouts entgegen.

Was kann sie besser als die Alte? Ist es das Nano vor dem Meter, die Fähigkeit ein ganzes Byte in einer Speicherzelle zu speichern, die Robustheit gegen Tausende, besser noch Millionen von Löschzyklen oder gar eine Zugriffszeit im Nanosekunden-Bereich wie bei Dynamischen RAMs? Die Antwort heißt: Genau, das wäre schon einmal eine gute Grundlage.

Platzhirsch unter allen nichtflüchtigen Halbleiterspeichern ist seit langem Flash. Die zugrundeliegenden NAND-Technik ist durch das „leckende“ Floating-Gate anfangs sehr umstritten gewesen, hat sich im Laufe der letzten Jahre aber soweit stabilisiert, dass nun auch die langsamere 2-Bit-Speichertechnik pro Zelle (MLC) zum Standard für den Enterprise-Einsatz geworden ist.

Und mit der Erweiterung der Fertigungstechnik in den dreidimensionalen Raum ist nun auch das beständig dräuende Skalierungsproblem Historie.

Bislang war jede Kapazitätssteigerung nur durch die Verkleinerung der Strukturen möglich, nun lässt man einfach weitere 8, 16 oder 32 Lagen wachsen. Diesen Stand der Technik müssen Alternativen wie Phase Change Memory (PCM), Memristor oder STT-MRAM erst einmal egalisieren.

Teilweiser oder vollständiger Ersatz

Die Strategien der Aufsteiger sind unterschiedlich. Während PCM sich als das bessere Flash-Material vorstellig macht, hat man mit dem Memristor ein Bauelement vor sich liegen, das nicht nur als Speicher, sondern auch als Logikbaustein verwendbar ist. Beim STT-MRAM, dem Spin Torque Transfer Magnetoresistive RAM, glaubt man daran NAND-Flash und gleichermaßen DRAM ersetzen zu können.

Doch auch in der lukrativen Nische des DRAMs tut sich einiges. Hier sehen Flash-Hersteller einen lukrativen neuen Markt. Anscheinend arbeiten einige Entwickler daran, den DRAM-Inhalten die dauerhafte Speicherfähigkeit anzuheften. Eine Hybrid-Speicherzelle aus DRAM und Flash soll die Dateninhalte auch bei Stromlosigkeit erhalten.

Sobald der Rechner ausgeschaltet wird, werden alle DRAM-Zelleninhalte ins Back-Flash „gespült“. Nach einem Neustart könnte so in wenigen Sekunden mit den letzten Hauptspeicherinhalten weitergearbeitet werden. Bei inzwischen mehreren Terabyte Hauptspeicher eine erhebliche Verkürzung der Wartezeit.

Wann kommen sie denn?

Flash-Alternativen gibt es inzwischen im Dutzend und mehr. IBM behauptet nun schon seit mehreren Jahren, dass das in den eigenen Rüschlikoner Laboren entwickelte Phase Change Memory (PCM) bereit für den aktiven Einsatz und mehr als nur ein Ersatz sei.

Es sei in allen Parametern wie Geschwindigkeit und Langlebigkeit besser. Und es ließe sich statt Flash, vom Anwender unbemerkt, in die Speicherriegel einbauen. Angeblich sei es sogar preiswerter herzustellen.

Und auch HP will zurück auf die ganz große Rechner- und Speicherbühne. Da darf das in den HP Labs gefundene eigene Speicherelement, ein variabler Widerstand und gleichzeitig nichtflüchtiger Speicher, nicht fehlen. Der Memristor eignet sich wahrscheinlich für einen neuartigen Ansatz: Direkt im Speicher rechnen, ohne Busstrukturen.

Nachdem man jedoch viele Jahre nichts mehr vonHPs Memristor gehört hatte, drängt HP nun seit dem letzten Jahr gleich mit einem ganz neuen Superrechnerkonzept, The Machine genannt, zurück ins Licht der Öffentlichkeit.

Das erscheint notwendig, da die Transaktionsvolumina im Großrechnerbereich dramatisch steigen sollen. Sind es heute nur knapp drei Milliarden Transaktionen pro Tag allein im mobilen Bereich, so sollen in zehn Jahren bereits 40 Billionen zu verarbeiten sein. Ein mit wenigen Nanosekunden arbeitender nichtflüchtiger Speicher könnte die Prozessoren auf Trab halten.

Bessere Technik alleine reicht nicht

Die großen der Speicherbranche holen also tief Luft, um dem Dominator Flash dieselbe zu nehmen. Doch mit besseren Funktionen allein ist Flash nicht aus der Bahn zu werfen. Weder höhere Flächendichte, noch mehr Kapazität, Skalierfähigkeit in kleinste Nanodimensionen oder geringerer Stromverbrauch, kann die kosteneffiziente Flash-Technik aus dem Rennen kicken.

Sie kann die nächsten zehn Jahre locker mithalten. Microsoft-Ingenieure gestehen der einfach zu produzierenden NAND-Speicherzelle bis über das Jahr 2020 hinaus eine marktbeherrschende Stellung zu.

Die aktuelle Performance von Flash reicht locker aus, um mittels SSD-Drives SAS- und SATA-Schnittstellen zu überfordern. Selbst PCIe Gen 3 muss inzwischen vier von 16 Lanes bereitstellen, damit eine moderne M2.SSD nicht ausgebremst wird.

Noch hat der Investitionsschutz Vorrang

Ein wesentlicher Grund für die Nicht-Ablösung von Flash liegt in den hohen Kosten allein für den Aufbau einer Halbleiterfabrikation. Fünf Jahre Vorlauf sind heute notwendig, um eine Fabrik aus dem Boden zu stampfen, die bei Investitionen von fünf und mehr Milliarden Dollar Halbleiter produzieren und dann an vorderster Front im Halbleiter-Wettstreit mit mischen könnte.

Solche Ausgaben wollen sich weder IBM noch HP leisten. Man stellt nur die moderne Grundlagentechnik bereit und sucht sich dann einen Kooperationspartner bei der Fertigung. IBM hat das zum Beispiel bei der PCM-Technik mit Hynix Mitte 2012 getan.

Das war dann auch der erste und letzte Eintrag einer einfachen Google-Suche. Memristor.org ist ebenfalls in dem Suchergebnis zu finden, mit einer Meldung aus dem Jahr 2011, wonach HP mit Hynix Hunderte von Wafers produziert hätte.

Inzwischen sind für HP wie für IBM mehrere Fertigungsjahre verstrichen, in denen entweder nichts passiert ist oder die vielleicht auch geschickt genutzt wurden, um die Öffentlichkeit mal richtig zu überraschen.

Frischer Schub für Everspin

Die Entwickler einer von vielen ebenfalls als Flash- wie auch als DRAM-Ersatz hochgelobten Technik sind jedenfalls mit zahllosen Erfolgsmeldungen forscher. TDK stellte im Oktober 2014 einen 8-MBit-MRAM-Prototypen vor. In einer Testumgebung konnte der Chip zeigen, dass er siebenmal schneller arbeitet als die sehr schnellen NOR-Flash-Speicher. Da TDK ebenfalls nicht selbst produzieren will, rechnet man damit, dass bis zu zehn Jahre bis zur Marktfähigkeit ins Land gehen könnten.

Etwas weiter scheint Everspin zu sein. Nach einem 64-MBit-Chip mit ST-MRAM-Technik, der noch aus dem Jahr 2012 stammt, arbeitet man seit Ende 2014 am Design eines 256-MBit-Chips, der für die Anforderungen von Enterprise-SSDs zugeschnitten werden soll. Im Januar 2015 bekam das Unternehmen nun ein großes "Lob" aufs Konto. Global Foundries, Western Digital und einige private Investoren überwiesen 29 Millionen US-Dollar.

Tatsächlich sind Aktivitäten wie die von Everspin der Nachweis, dass man einerseits intensiv an der hochgelobten Technik arbeitet. Sie beweisen andererseits aber auch, dass man meilenweit von der flüchtigen DRAM- wie auch der nichtflüchtigen Flash-Konkurrenz von Samsung und Toshiba entfernt ist:

  • Diese produzieren aktuell DDR4-DRAM-Hauptspeicher in der 1x-Nanometerklasse mit Kapazitäten von 32 GByte zum Stückpreis um 500 Euro herum. Bei der Speicherfähigkeit ist das schon mal ein Unterschied von Faktor 1000.
  • Bei den preiswerten Enterprise-Flash-SSD, die mehrere Bits in einer Zelle speichern können, kann man Pi mal Daumen von derzeit ebenfalls 500 Euro für das Terabyte kalkulieren. Das sind derzeit die knallhart kalkulierten Rahmenbedingungen für den Markteintritt der „Ersatz-Halbleiter“.

Und dann sind da immer noch die Festplatten, die nur 50 Euro pro Terabyte kosten.

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