Neuartige RAM-Speicher: winzig, schnell und stromsparend

CBRAM (Conductive Bridging Random Access Memory)-Speicher sollen schneller sein und weniger Energie verbrauchen, als die für Arbeitsspeicher derzeit am meisten verbreitete Speichertechnologie DRAM.

Ein CBRAM-Speicherelement besteht aus zwei Metall-Elektroden aus Materialien wie Kupfer und Silber, getrennt durch eine Schicht Festelektrolyt wie Siliziumdioxid. Zwischen den Elektroden bildet sich ein Nano-Metallfaden, der einen Stromfluss ermöglicht.

Welches die optimalen Dimensionen und die besten Materialien für einen CBRAM-Speicher sind, ist noch nicht klar. Forscher wie der ETH-Professor Mathieu Luisier und sein Team versuchen daher, CBRAM weiter zu verbessern. Dafür haben Luisier und seine Gruppe ein CBRAM-Speicherelement als Simulation vom Supercomputer Piz Daint auf einzelne Atome genau errechnen lassen. Selbst der Piz Daint braucht für eine solche Simulation mehrere Stunden Rechenzeit.

Das Computermodell des Speichers besteht aus zwei Elektroden aus Metalloxiden, die mit einem Nano-Metallfaden verbunden sind, und bildet rund 4500 Atome ab. Bisher waren nur Modelle mit bis zu 100 Atomen gerechnet worden. Die Simulation ermöglichte es, einzelne Parameter zu verändern und damit die Auswirkungen von verschiedenen Dimensionen und unterschiedlich starken Metallfäden auszutesten.

Ideale Speicher für RAM sind 2 Nanometer breit

Die beiden Elektroden müssen möglichst nah beieinander sein, damit der Energieverbrauch eines solchen Speichers sinkt. Sind sie zu nah, kommt aber ein Quanteneffekt zum Tragen, der den Speicher unsteuerbar und damit unbrauchbar macht.

Das Ergebnis der Simulation: Die Siliziumdioxid-Schicht zwischen den Elektroden hat idealerweise eine ähnliche Breite wie der kürzlich vorgestellte Nano-Transistor aus Graphen, etwa 12 Atome oder 1 bis 2 Nanometer.

Wird die weitere Miniaturisierung elektronischer Devices jemals stoppen? Gilt generell: je winziger, desto effizienter?

Handelsübliche CMOS-Transistoren, also die Hardware-Grundlage aller integrierten digitalen Schaltungen, hätten aktuell noch eine Kanalbreite von knapp 20 Nanometern, sagt Luisier. Und die Grenze scheint aus physikalischen Gründen bei etwa 5 Nanometern zu liegen. Darunter könne ein Transistor nicht mehr richtig ein- und ausgeschaltet werden, erläutert Luisier. Das Mooresche Gesetz, das auf Gordon Moore, Naturwissenschaftler und Mitgründer von Intel, zurückgeht, besagt, dass sich die Grösse elektronischer Bauteile alle eineinhalb bis 2 Jahre halbiert. Seit ein paar Jahren hat sich dieser Rhythmus verlangsamt. Dennoch werde es mehr als 10 bis 15 Jahre dauern, bis Transistoren eine Kanallänge von 5 Nanometern erreichen, glaubt Luisier. Denn die Entwicklungskosten würden bei jeder Generation stark wachsen.

Bei Speichern wie CBRAMs sei es aber anders, sagt Luisier. "Bei ihnen könnte es schneller und kleiner gehen, weil die physikalischen Mechanismen anders als in konventionellen Transistoren sind", sagt Luisier. "Die ETH-Forschungsgruppe von Jürg Leuthold, mit der wir zusammenarbeiten, hat bereits einzelne Speicherelemente hergestellt, die sogar kürzer sind als zwei Nanometer." Aber das seien Einzelbauelemente. Es existiere noch kein Herstellverfahren für die Massenproduktion solcher winziger Speicher. "Bis so kleine CBRAMs in Massen produziert werden können, wird es aber auch noch mindestens 5 bis 10 Jahre dauern", schätzt Luisier.

CBRAM könnte DRAM und Flash ersetzen

CBRAM könnte dereinst DRAM, aber auch nicht-flüchtige Speicher wie Flash als Arbeitsspeicher ersetzen. Der grösste Vorteil sei der viel geringere Stromverbrauch, da der Strom nur durch einen Nano-Faden fliesse, sagt Luisier. Für DRAM gelten ausserdem obige Skalengrenzen, das heisst ihre weitere Miniaturisierung ist begrenzt.

Die Grundlagen der CBRAM-Technologie haben Forscher an der Arizona State University entwickelt, Infineon Technologies hält gewisse Patente um CBRAM.

Adesto Technologies, ein Unternehmen aus dem Silicon Valley, vermarktet seit 2014 eine bestimmte Variante des CBRAM-Speichers. NEC und Sony entwickeln ihre eigenen Varianten. "Auch die Forschungsabteilungen der grossen Firmen wie Samsung und Intel untersuchen sicherlich die CBRAM-Technologie und schauen, was weltweit passiert", sagt Luisier.