UltraRAM soll das Beste aus zwei Welten vereinen - was hat es damit auf sich?

So schnell wie DRAM - und so haltbar wie Flash-Speicher: Das ist »UltraRAM«. (Lancaster University via Vimeo)

Die britische Halbleiterindustrie in Form des Unternehmens IQE hat einen wichtigen Durchbruch zur Entwicklung von »UltraRAM« gefeiert.

Dabei handelt es sich um eine neue Form des Arbeitsspeichers, die die Vorteile von NAND-Flash und DRAM vereinen will.

UltraRAM: DRAM-Geschwindigkeiten und große Haltbarkeit

UltraRAM basiert auf dem quantenmechanischen Phänomen des Tunneleffekts in Verbindungshalbleitern, die bislang hauptsächlich in optischen Geräten wie LEDs und Laserdioden zum Einsatz kommen.

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Die Technologie nutzt eine spezielle »Triple-Barrier-Resonant-Tunneling-Struktur« (TBRT) aus Verbindungshalbleitern, die es ermöglicht, zwischen hochresistiven und hochleitfähigen Zuständen zu wechseln. Diese quantenmechanischen Eigenschaften werden durch die Verwendung von Galliumantimonid (GaSb) und Aluminiumantimonid (AlSb) erreicht.

Professor Manus Hayne von der Lancaster-Universität, einer der Köpfe von UltraRAM, erklärt die Funktionsweise wie folgt:

• Bei angelegten 2,5 Volt entsperrt das System die TBRT-Struktur und ermöglicht es Elektronen, durch Quantentunneln extrem schnell in die Floating-Gate-Struktur zu fließen. Wird die Spannung entfernt, werden die Elektronen eingeschlossen und die Daten bleiben dauerhaft gespeichert.
• Diese Kombination aus niedrigen Schaltspannungen, kurzen Pulszeiten und geringer Kapazität pro Flächeneinheit macht DRAM-ähnliche Geschwindigkeiten bei deutlich reduziertem Energieverbrauch möglich.

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Die Leistungsdaten von UltraRAM übertreffen bisherige Speichertechnologien deutlich: Prototypen demonstrierten bereits eine Lebensdauer von mindestens zehn Millionen Schreib- und Löschzyklen – das ist 100 bis 1.000 Mal mehr als beim Flash-Speicher, den ihr etwa in eurer SSD findet.

Gleichzeitig benötigen die Schaltvorgänge 100-mal weniger Energie pro Flächeneinheit als DRAM und erreichen intrinsische Schaltgeschwindigkeiten im Sub-Nanosekunden-Bereich.

Der Weg zur industriellen Fertigung für spezialisierte Märkte

Nach über einem Jahrzehnt Forschung gelang jüngst ein entscheidender Durchbruch: Das britische Halbleiterunternehmen IQE entwickelte erfolgreich ein skalierbares Epitaxie-Verfahren für die Massenproduktion von UltraRAM.

Epitaxie bezeichnet den kontrollierten Prozess des Aufwachsens kristalliner Schichten auf einem kristallinen Substrat, wobei die aufgebrachte Schicht die Kristallstruktur des Substrats übernimmt.

Das umgerechnet 1,28 Millionen Euro (via Blocks and Files) schwere Projekt, das in Zusammenarbeit mit Quinas Technology sowie den Universitäten Lancaster und Cardiff durchgeführt wurde, ermöglichte erstmals die industrielle Herstellung dieser komplexen Verbindungshalbleiter-Strukturen.

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UltraRAM zielt auf hochspezialisierte Märkte ab, in denen die Eigenschaften der Technologie entscheidende Vorteile bieten können.

• Künstliche Intelligenz bildet einen Kernbereich, da KI-Anwendungen enormen Speicherbedarf mit hohen Geschwindigkeitsanforderungen kombinieren.
• Quantencomputing stellt einen weiteren Zielmarkt dar, wo die extreme Stabilität und niedrigen Energieanforderungen von UltraRAM vorteilhaft sind.
• In der Raumfahrt könnte die Strahlungsresistenz und Haltbarkeit von UltraRAM revolutionäre Verbesserungen bringen. Aktuelle Satellitenspeicher müssen regelmäßig gegen Strahlungsschäden ausgetauscht werden – UltraRAM könnte diese Problematik durch seine robuste Architektur lösen.