Marktanalyse zu aufstrebenden Speichertechniken Speicher: PCM, ReRAM, FRAM und MRAM im Aufwind

Von Michael Eckstein

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44 Milliarden US-Dollar bis 2032: Junge Speichertechniken wie PCM, ReRAM, FRAM und MRAM werden über die nächste Dekade einen gewichtigen Anteil am Gesamtmarkt erobern. Davon sind die Marktanalysten Objective Analysis und Coughlin Associates überzeugt.

Langsam, aber sicher etablieren sich neben den Platzhirschen Flash, SRAM und DRAM weitere vielversprechende Speichertechniken wie PCM, ReRAM, FRAM und MRAM. Deren Marktvolumen soll in den kommenden Jahren rasch zulegen, sagen Analysten.
Langsam, aber sicher etablieren sich neben den Platzhirschen Flash, SRAM und DRAM weitere vielversprechende Speichertechniken wie PCM, ReRAM, FRAM und MRAM. Deren Marktvolumen soll in den kommenden Jahren rasch zulegen, sagen Analysten.
(Bild: Coughlin Associates)

Aufstrebende nichtflüchtige Speichertechniken sind auf dem Vormarsch: Bis 2032 werden sie ein Marktvolumen von etwa 44 Milliarden US-Dollar generieren. Das ist das Ergebnis eines kürzlich veröffentlichten gemeinsamen Berichts der Marktanalysten Objective Analysis und Coughlin Associates: „Emerging Memories Enter the Next Phase“. Dr. Thomas Coughlin, Präsident von Coughlin Associates, ist sicher: „Dies ist der Halbleitermarkt, den es im nächsten Jahrzehnt zu beobachten gilt.“

Unternehmen, die in diesem Markt aktiv sind, könnten mit einem bedeutenden Wachstum rechnen. Daher sollten Speicherhersteller und Foundries über ein Engagement in diesem Bereich nachdenken, wenn sie von dieser Entwicklung profitieren wollten, sagt Speicherexperte Coughlin.

Etablierte Speichertechniken stoßen an Grenzen

Derzeitige Speichertechniken einschließlich Flash-Speicher (NAND und NOR), DRAM und SRAM stoßen im Zuge ihrer permanenten Verbesserung an technologische Grenzen. So lassen sich beispielsweise Flash-Zellen nicht beliebig verkleinern, da unterhalb einer Minimalgröße schlicht nicht mehr ausreichend Ladungsträger für einen stabilen Betrieb darin enthalten sind.

Deswegen wird weltweit intensiv an der Entwicklung neuer Speichertechniken wie PCM (Phase Change Memory), ReRAM (Resistive RAM), FRAM (Ferroelectric RAM) und MRAM (Magnetoresistive RAM) und an einer Reihe von weniger verbreiteten Technologien wie Kohlenstoff-Nanoröhren gearbeitet. Laut Speicherexperte Coughlin arbeiten die meisten davon nichtflüchtig und können für die Langzeitspeicherung oder als Speicher verwendet werden, der seine Informationen nicht verliert, wenn kein Strom anliegt. Dies biete Vorteile für batteriebetriebene oder per Energy Harvesting versorgte Geräte, ermögliche aber auch Energieeinsparungen in Rechenzentren.

Verschiedene Speichertechniken für unterschiedliche Anwendungsfälle

Auf der Grundlage des aktuellen Entwicklungsstandes und der Eigenschaften dieser Technologien scheint resistiver RAM (RRAM) ein potenzieller Ersatz für Flash-Speicher zu sein, erläutert Coughlin. Der Wechsel werde allerdings nicht abrupt erfolgen, sondern nach und nach über das nächste Jahrzehnt. Bis dahin wird Flash noch einige Technologie-Generation entwickelt.

Die Einführung von 3D XPoint Memory durch Micron und Intel wird sich verstärkt auf den Bedarf an DRAM auswirken, sagt Jim Handy, Generaldirektor von Objective Analysis. 3D XPoint verwendet eine Art Phasenwechselverfahren (Phase Change Memory, PCM) und bewährt sich mittlerweile durch eine hohe Haltbarkeit, weist eine höhere Dichte als DRAM auf und erreicht eine Performance, die zwischen NAND-Flash und DRAM liegt. Intel hat 2017 NVMe-SSDs mit seiner Optane-Technologie (unter Verwendung von 3D XPoint) eingeführt und 2019 mit der Auslieferung von DIMM-Optane-Modulen begonnen – ist allerdings mittlerweile aus dem Joint Venture mit Entwicklungspartner Micron ausgestiegen, der den Speicher nun in Eigenregie entwickelt und fertigt.

Magnetischer RAM (MRAM) und Spin-Tunnel-Torque-RAM (STT MRAM) beginnen laut der Analyse, sNOR, SRAM und möglicherweise auch DRAM zu ersetzen. Die Möglichkeit, flüchtigen durch nichtflüchtigen Speicher mit hoher Geschwindigkeit und langer Lebensdauer zu ersetzen, machen diese Techniken sehr attraktiv. Mit steigendem Produktionsvolumen werden die Fertigungskosten und letztlich die Verkaufspreise sinken – und damit wird die Wettbewerbsfähigkeit der MRAM-Techniken steigen.

Ferroelektrischer RAM (FRAM) und einige RRAM-Technologien haben laut den Auguren bereits einige Nischenanwendungen erobert, und mit dem Einsatz von HfO FRAM könnte die Zahl der für FRAM verfügbaren Nischenmärkte zunehmen.

Spin-basierte Logik für moderne Prozessoren

Der Übergang zu nichtflüchtigen Festkörperspeichern und Cache-Speichern wird helfen, den Stromverbrauch zu senken sowie neue Stromsparmodi und eine schnellere Wiederherstellung des Systemzustands nach dem Ausschalten ermöglichen. Laut Coughlin und Handy lassen sich damit stabilere Computerarchitekturen bauen, die ihren Betriebszustand auch im ausgeschalteten Zustand beibehalten. Schließlich könnte die Spintronik-Technik, bei der für logische Verarbeitungsschritte nicht Strom, sondern Elektronen-Spin genutzt wird, für die Herstellung künftiger Mikroprozessoren eingesetzt werden. Spin-basierte Logik könnte eine sehr effiziente speicherinterne Verarbeitung ermöglichen.

Der Einsatz von nichtflüchtigem Speicher in Kombination mit CMOS-Logik ist in der Elektronikindustrie von großer Bedeutung – beispielsweise in Mikrocontrollern. Als Ersatz für ein Multi-Transistor-SRAM könnte STT MRAM die Anzahl der Transistoren reduzieren und somit eine kostengünstige Lösung mit höherer Dichte sein. Eine Reihe von Unternehmens- und Verbrauchergeräten verwenden MRAM bereits als eingebetteten Cache-Speicher. Coughlin betont, dass alle großen Foundry-Unternehmen bereits Prozesse für MRAM als eingebetteten Speicher in SoC-Produkten anbieten.

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Die Verfügbarkeit von STT-MRAM hat diesen Trend nach Angaben der Analysten beschleunigt. Aufgrund der Kompatibilität von MRAM- und STT-RAM-Prozessen mit konventionellen CMOS-Prozessen können diese Speicher direkt auf CMOS-Logik-Wafern aufgebaut oder sogar direkt in die CMOS-Fertigung integriert werden. „Das ist ein Vorteil zu Flash-Speichern, die nicht die gleiche Kompatibilität mit konventionellen CMOS-Prozessen haben“, sagt Coughlin.

Die möglichen Energieeinsparungen von nichtflüchtigem und einfacherem MRAM und STT-MRAM im Vergleich zu SRAM sind nach Angaben der Studienverfasser erheblich. Da sich die Kosten für MRAM in US-Dollar pro GByte denen von SRAM annähern, könnte dieser Ersatz zu einer erheblichen Marktexpansion führen.

Aufstrebende Speichertechniken als separate ICs oder Embedded-IP

Bereits heute würden Entwickler und Anwender von System-on-Chips (SoCs) die neuen nichtflüchtigen Speicher in Designs integrieren, um mithilfe ihrer Vorteile zum Beispiel den Stromverbrauch zu senken und eine bessere Reaktionsfähigkeit des Systems zu erreichen. In einigen Bereichen könnten die neuartigen Speicherdesigns bisher vorherrschende Techniken wie NOR-Flash, SRAM und DRAM verdrängen. Sie könnten sowohl eigenständige Speicherchips als auch eingebettete Speicher in Mikrocontrollern, ASICs und sogar Rechenprozessoren ersetzen und möglicherweise auch neue, eigene Märkte schaffen.

So hat der japanische Mikrocontroller-Hersteller Renesas auf dem „2022 Symposium on VLSI“ im Juni seine optimierte Embedded STT-MRAM-Technologie vorgestellt und einen im 22-nm-Prozess hergestellten Chip demonstriert.

Und das taiwanesische Industrial Technology Research Institute (ITRI) hat zwei neue MRAM-Kooperationen angekündigt. So will man mit dem größten Chip-Auftragsfertiger TSMC zusammen SOT-MRAM-Array-Chips entwickeln, die sich durch hohe Schreibeffizienz und niedrige Schreibspannung auszeichnen. ITRI gibt an, dass sein SOT-MRAM eine Schreibgeschwindigkeit von 0,4 Nanosekunden und eine hohe Ausdauer von 7 Billionen Lese- und Schreibvorgängen erreicht. Der Speicher soll Daten zudem über mehr als zehn Jahre speichern können. Darüber hinaus will ITRI mit der Nationalen Yang Ming Chiao Tung Universität (NYCU) eine magnetische Speichertechnologie entwickeln, die in einem weiten Betriebstemperaturbereich von fast 400 Grad Celsius arbeiten kann.

Vor einigen Monaten brachte zudem Everspin Technologies eine neue Familie von MRAM-Produkten mit SPI/QSPI/xSPI-Schnittstelle auf den Markt. Der persistente Speicher erreicht über die neue JEDEC-Standardschnittstelle Extended Serial Peripheral Interface (xSPI) eine Lese- und Schreibbandbreite von 400 MByte/s. Die EMxxLX-Familie ist derzeit mit Speicherdichten von 8 MBit bis 64 MBit erhältlich.

Auch der deutsche Halbleiterkonzern Infineon hat seit der Übernahme von Cypress schnelle FRAM-Chips im Programm. Der nichtflüchtige Speicher ist in der Lage, kritische Daten bei einer Stromunterbrechung sofort zu erfassen und zu speichern. Damit eignet er sich beispielsweise für unternehmenskritische Datenerfassungsanwendungen wie hochleistungsfähige speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS), die eine hochzuverlässige Steuerung und einen hohen Durchsatz erfordern, für lebenserhaltende Patientenüberwachungsgeräte oder etwa Unfall-Datenrekorder.

Vorteile gegenüber bisherigen Speichertechniken

„Entwickler aller Arten von Systemen stellen fest, dass neue Speicher gegenüber den bisherigen Technologien Vorteile bieten“, sagte Jim Handy, Generaldirektor von Objective Analysis. „Das Internet der Dinge wird revolutioniert werden, da neue eingebettete Speichertypen den Stromverbrauch senken.“ Auch bei größeren Systemen würden bereits Architekturen geändert und persistente Speicher eingesetzt, um die Latenzzeit und die Datenintegrität zu verbessern.

Der Bericht erläutert, wie die Umsätze mit Standalone-MRAM und STT-RAM auf etwa 1,4 Milliarden US-Dollar steigen werden, was mehr als dem Dreißigfachen der Standalone-MRAM-Umsätze von 2021 entspricht. Parallel dazu konkurriert eingebettetes ReRAM und MRAM laut Handy immer stärker mit eingebettetem NOR- und SRAM-Speicher in SoCs, was ebenfalls zu einem starken Umsatzwachstum führen soll.

Neue Techniken erobern beachtlichen Anteil des Speichermarkts

Nach Angaben von Coughlin und Handy werden aufstrebende Techniken über die nächste Dekade einen gewichtigen Anteil am gesamten Speichermarkt erobern. Dieser wird allerdings auch in Zukunft von (3D-)NAND-Flash und DRAM dominiert.

So hatte allein der bereits stark konsolidierte Markt für NAND-Flash-Speicher – hier beherrschen Samsung, Kioxia, Micron und SK Hynix (das 2021 Intels NAND-Speichersparte für 9 Mrd. US-Dollar übernommen hat) das Geschehen – 2021 ein Volumen von rund 66,5 Mrd. US-Dollar und wird nach Analysen der Auguren von Mordor Intelligence bis 2027 auf ca. 94 Mrd. US-Dollar wachsen. DRAM und NAND-Flash zusammengenommen erreichen 2030 ein Gesamtvolumen von etwa 330 Mrd. US-Dollar (2021: 161 Mrd. US-Dollar), schätzt Micron.

Treibende Kraft ist in allen Fällen das explosionsartig zunehmende Datenaufkommen über alle Anwendungsgebiete hinweg, wobei sich als Makrotrends die insgesamt zunehmende Digitalisierung, Künstliche Intelligenz/Maschinelles Lernen, Mobilität und Konnektivität ausmachen lassen. So schätzt IDC, dass das weltweite, jährlich neu generierte Datenaufkommen von 81 ZetaByte in 2021 bereits im Jahr 2025 auf 180 ZByte wird.

Auch Hersteller von Produktionssystemen und -anlagen profitieren

„Viele dieser aufkommenden Speichertypen erfordern neue Werkzeuge und Herstellungsverfahren, um unterschiedliche Materialien und Prozesse zu integrieren. Dies wird auch dem Markt für Investitionsgüter einen Wachstumsschub verleihen“, fügt Coughlin hinzu. Der Gesamtumsatz mit MRAM-Fertigungsanlagen werde auf mehr als das Neunundvierzigfache des Wertes von 2021 ansteigen und im Jahr 2032 etwa 1,5 Milliarden US-Dollar erreichen.

Die 241 Seiten umfassende Publikation „Emerging Memories Enter the Next Phase“ untersucht nicht nur PCM, ReRAM, FRAM und MRAM, sondern auch eine Reihe von weniger verbreiteten Techniken.

Dieser Artikel erschien zuerst auf unserem Partnerportal Elektronik Praxis.

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