Später Sieg für einst exotische Speicher

Wenn es in der Mikroelektronik so etwas wie einen Oscar für Durchhaltewillen gäbe, dann hätte ihn dieses Jahr Stanford Ovshinsky verdient. Knapp 80 Jahre alt musste Ovshinsky werden und mehr als 30 Jahre für seine „Ovonics“ kämpfen, ehe der weltgrößte Halbleiterhersteller Intel ihn mit einer Investition in seine Speichertechnologie ehrte und ihm Anfang Februar auf der International Solid-State Circuits Conference in San Francisco zum Durchbruch verhalf.

Warum hat es so quälend lange gedauert, ehe sich Ovshinskys nicht flüchtige Wunderchips endlich durchsetzen konnten? Wo er doch schon 1968 bei den Intel-Gründern Noyce und Moore so hoffnungsvoll angeklopft hatte? Maßgebend sind die Fortschritte der Werkstofftechnik, sagt Manzur Gill von Intel, der auf der ISSCC 2002 über den Entwicklungsstand der Ovonic unified Memory, kurz OUMs berichtete: „Vor 30 Jahren nahm man Bulk-Silizium. Das hat eine Menge Defekte und Unreinheiten. Die Dünnfilmmaterialien waren noch nicht soweit. Und auch die Halbleitertechnik ist seitdem weit evolviert.“

Auf den extrem dünn beschichteten Oberflächen von schreib- und löschbaren CDs und DVDs hat sich das Ovonics-Speicherprinzip bereits seit Jahren in Form winziger, einzeln adressierbarer, nicht flüchtiger Speicherdomänen durchgesetzt und bewährt.

Jetzt also sind die Ovonics-Domänen so weit gereift, dass sie sogar als Nachfolgekandidaten von Intels Brot-und-Butter-Technologie, der Flash-Chips in Frage, kommen. Erste Anzeichen gab es 1999. Da wurde Tyler Lowery, damals Cheftechnologe beim US-Dram-Hersteller Micron Technology, auf Ovshinsky aufmerksam. Der hatte sich lange Jahre mit seiner Kleinfirma Energy Conversion Devices über Wasser gehalten. Er adaptierte und lizenzierte seine Ovonics mit gewissem Erfolg für photovoltaische Zellen und Nickel-Hydrid-Batterien.

Ovshinskys Grundidee: die Nutzung des wärmegesteuerten Phasenwechsels vom amorphen in den kristallinen Zustand geeigneter Materialien, so genannter Chalkogene oder Sauerstoffbildner, vorzugsweise Tellur. Dieser Phasenwechsel geht mit einer Änderung des elektrischen Widerstandes einher. Gelingt das innerhalb winziger, im Idealfall lithographisch erzeugbarer Domänen in der Größenordnung der CMOS-Siliziumtechnik, kann man damit hervorragende nicht flüchtige Speicherelemente bauen.

Gesagt, getan: Lowery und Ovshinsky gründeten zusammen mit einem dritten Partner, Azalea Corp., den lange ersehnten Silicon-Valley-Start-up Ovonyx. Vor zwei Jahren stieß dann der Großmeister Intel hinzu, mit einem Batzen Geld und massiven F&E-Ressourcen. Damit kam die Sache endlich in Schwung.

Vorläufiges Ergebnis: ein OUM-Testchip mit 4 MB Speicherumfang in aktueller, praktischerweise CMOS-kompatibler 0,18-µm-Geometrie. Als Speicherschicht (zwischen zwei metallischen Layern) dient eine (in der Präsentation nicht näher spezifizierte) Ge x Sb y Te z -Legierung. Sie wird über einen kurzen Laserimpuls in den hoch resistiven amorphen Zustand („Reset“) versetzt. Mit einem ebensolchen, aber längeren Impuls wird sie wieder in den widerstandsarmen poly-kristallinen Zustand („Set“) überführt. Benachbarte Domänen werden dabei nicht signifikant gestört.

Diese Phasenwechsel gehen in weniger als 8 ns statten. In einem vierphasigen Lese-/Schreib-/Komplement-Schreib-/Lese-Zyklus werden die OUMs zurzeit mit 5 MHz getaktet. Im Gegensatz zu den Flash-Speichern geht das mit Spannungsimpulsen unter 1 Volt – passend zum heutigen CMOS-Betrieb mit 3 V. Das heißt: Die hochvoltigen Steuertransistoren und Ladungspumpen anderer nicht flüchtiger Speicher sind in den OUMs überflüssig. Außerdem entfällt das Energie fressende, Zeit raubende „Block-Löschen“ der Flash-Speicher vor dem Einschreiben neuer Bits.

Somit besteht die OUM-Speichermatrix statt aus Transistoren nur mehr aus Dioden. Das spart auch viel Platz und macht sie erheblich dichter. Im 4-Mbit-Testchip besteht diese Matrix aus acht separaten „Ebenen“ mit jeweils 16 Blocks zu je 32 kbit. Die einzelnen Bits dieser Matrix werden also nicht mehr als Leckstrom-empfindliche Ladungsmuster, sondern als stabile Phasenmuster dargestellt. Dieser leicht reversible Vorgang des Schreibens und Löschens lässt sich bis zu 1012-mal wiederholen. Die herkömmlichen Flash-Chips ermüden nach 106-Zyklen.

Natürlich sind auch andere exotische Technologien für künftige Datenspeicher im Rennen, wie etwa Mrams und Frams. Doch die OUMs scheinen aussichtsreich, wenn sich die Evolution ihres Speicherumfangs schnell genug in die aktuellen Technologie-Roadmaps der Halbleiterstrategen einfädeln lässt. Schon in drei bis fünf Jahren, so schätzt man bei Intel, könnten preisgünstige Ovonic-Chips eingebettet in leichte, datenintensive Endgeräte wie Handys und PDAs der dritten Mobilfunkgeneration, zu einer neuen Mainstream-Technologie der Speichertechnik werden.

WERNER SCHULZ