Hybride Architekturen und NVM-Game-Changer

Zusätzlich ist hier an hybride Speichersysteme zu denken – eine Kombination aus SSDs für häufig genutzte Daten und HDDs für Archivdaten balanciert Leistung und Kosten aus. Bekannte Techniken wie Data-Deduplication, Compression und dynamische Power-Allocation reduzieren den Gesamtverbrauch, indem unnötiger Speicherbedarf vermieden wird. „Der Schlüssel zu weniger Stromverbrauch liegt nicht in einer einzelnen Technologie, sondern in intelligentem Tiering“, erläutert Uhl von Cloudian. „Daten gehören je nach Nutzungsmuster automatisch auf das passende Medium.“

Kleine Game-Changer sind hier NVM-Technologien (Non-Volatile Memory), die volatile Speicher wie DRAM ersetzen oder ergänzen. Sie bieten non-volatile Eigenschaften, die Stand-by-Power eliminieren; es ist also kein Refresh nötig. Sie skalieren besser unter 10 nm und eignen sich insbesondere für Low-Power-Anwendungen wie KI am Edge. Beispiele für NVM-Technologien sind Magnetoresistives RAM (MRAM), Resistive RAM (ReRAM), Ferroelectric RAM (FeRAM) und Phase-Change Memory (PCM):

MRAM speichert Daten magnetisch; Unternehmen wie Everspin und Samsung nutzen Entwicklungen wie Spin-Transfer-Torque-MRAM (STT) für Automotive und Embedded-Systeme. Ähnlich wie bei HDDs finden sich in der Hardware keine mechanischen Teile, was einen geringen Stromverbrauch verspricht.

Die meisten MRAM-Produkte, die man kaufen kann, sind spezielle Speicherchips, die von Elektronik-Distributoren wie Mouser oder DigiKey vertrieben werden. Sie haben Eingang gefunden in Fabriken und industrielle Steuerungen, wo Stromausfälle kritisch sind. Es gibt aber keine herkömmlichen MRAM-basierten SSDs oder RAM-Module, nicht zuletzt wegen der aktuell noch hohen Kosten und der begrenzten Speicherkapazität im Vergleich zu ausgereiften Technologien wie NAND-Flash (für SSDs) und DRAM (für RAM).

ReRAM steht für Resistive Random-Access Memory, basiert auf Widerstandswechseln und ist skalierbar. Es reduziert Leckströme und eignet sich insbesondere für In-Memory-Computing, das Rechenoperationen direkt im Speicher ausführt und damit Energie spart. Firmen wie Weebit Nano und CrossBar lizenzieren Technologien für diese hochdichten Speicher.

Auf der PCIM Expo 2025 im Mai in Nürnberg demonstrierte Weebit Nano zusammen mit der Tier-1-Halbleitergießerei DB HiTek erstmals „DB HiTeks Bipolar-CMOS-DMOS-Silizium (BCD)“, das eine ReRAM-Nichtflüchtiger-Speicher-Technologie (NVM) integriert. Sie soll den Weg für ein Embedded-ReRAM-Moduls im 130-nm-BCD-Design ebnen, das noch in diesem Jahr auf den Markt kommen soll. Als Abnehmer hat Weebit Nano aber zunächst den Markt für Automotive, nicht den für Rechenzentren.

Crossbar offeriert Cramium-Secure-Processing-Units (SPUs), die auf ReRAM basieren, aber nicht als Einzelprodukte für Endverbraucher erhältlich sind. Es handelt sich vielmehr um spezialisierte Chips, die in der Regel an andere Unternehmen verkauft werden.

Infineon verbaut die Technologie beispielsweise in seinen Mikrocontrollern (MCUs). Diese Chips werden in IoT-Geräten, Industrieanlagen und in der Automobilindustrie eingesetzt. Generell gilt, dass ReRAM-integrierende Produkte im Gegensatz zu herkömmlichen Speichern wie NAND-Flash oder DRAM aktuell auf spezielle Branchen und Nischenanwendungen beschränkt sind. Grund: Die Fertigung von ReRAM-Chips ist derzeit noch teurer als die von ausgereiften NAND-Flash- oder DRAM-Technologien, die von der Massenproduktion profitieren.

Ähnlich wie bei MRAM wird ReRAM aufgrund seiner physikalischen Widerstandsfähigkeit gegen Manipulation bevorzugt in Sicherheitsmodulen verbaut. Die ReRAM-Technologie nutzt oft auch memristive Prinzipien, auf die wir im zweiten Teil unserer Artikelserie ausführlich eingehen werden.

FeRAM nutzt ferroelektrische Materialien wie HfO₂ für Nischenanwendungen. Unternehmen wie Infineon (ehemals Cypress Semiconductor), Micron, ROHM Semiconductor und Ramxeed (ehemals Fujitsu) entwickeln es für höhere Dichten, mit Vorteilen in Stand-by-Power im Vergleich zu Flash-Speichern. Entsprechende Produkte werden aber nicht als klassische Speichergeräte für Endkunden wie SSDs oder USB-Sticks angeboten, sondern hauptsächlich als spezialisierte integrierte Schaltkreise (ICs) an Unternehmen verkauft. Diese Chips werden über Elektronikdistributoren wie Mouser oder DigiKey an Unternehmen vertrieben, die sie in ihre eigenen Produkte integrieren.

PCM steht für Phase-Change Memory und wechselt Phasen von Materialien, etwa von amorph zu kristallin, was niedrigen Verbrauch für Non-Volatile-Speicher verspricht. Intel hat sich mit Optane die Finger verbrannt (siehe dazu mehr in Teil 2 der Artikelreihe), aber STMicroelectronics setzt PCM für Automotive und Edge-AI weiter ein. Für den breiten Massenmarkt gibt es derzeit aber keine entsprechenden frei käuflichen Speicherprodukte.

„Die Zukunft energieeffizienter Speicherung liegt in einer Kombination aus intelligenten Architekturen wie HCI, moderner Hardware wie Flash und Hybrid Cloud sowie einem optimierten Datenmanagement“, fasst Christine Hensel, Director Systems Engineering bei Nutanix Deutschland, im Gespräch mit Storage-Insider die aktuelle Entwicklung zusammen.

Im zweiten Teil dieser kleinen Reihe verlassen wir in die althergebrachten Speicherpfade und wenden uns den wichtigsten, heute teilweise noch experimentellen Verfahren zu, um Storage das Stromsaugen abzugewöhnen. Im dritten und letzten Teil dann untersuchen wir Ansätze, um Storage künftig ganz ohne Strom zu betreiben. Dabei könnten gar menschliche Zellen zum Einsatz kommen.

Neue Ansätze für stromsparende Hardware, Teil 2

Storage jenseits von 0 und 1

Neue Ansätze für stromsparende Hardware, Teil 3

Storage ganz ohne Strom

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