Paul van Gerven
28 September 2007

Eind augustus gaf marktonderzoeker Mark Devoss van Isuppli een webinar over veelbelovende nieuwe geheugentypen. Zijn opmerkelijke conclusie: FRam, MRam NRam en PRam ontwikkelen zich niet snel genoeg om ooit DRam, SRam of flash in te halen. Bits&Chips hield zijn visie tegen het licht en concludeert dat er toch hoop aan de horizon gloort voor de nieuwe geheugensoorten.

Waarom zouden we ons op dit moment druk maken om geheugentechnologie? Met een wereldwijde omzet tegen de 43 miljard euro vormen de fabrikanten van dit type chips een stabiele poot in de halfgeleiderindustrie, ondanks de roemruchte prijsinstabiliteit. Ook in de nabije toekomst is er geen reden tot paniek. Isuppli becijferde een stabiele omzetgroei naar 59 miljard euro in 2011. Chipmakers kijken echter verder vooruit, laten we zeggen acht à; tien jaar. En dan gaan bestaande geheugentypes natuurlijk tegen schalingsproblemen aanlopen.

Het probleem is het meest urgent voor DRam. Dit geheugen vormt in zijn eentje bijna 60 procent van de markt. Maar het is ook het minst schaalbaar. De huidige technologie is onder het 90-nanometerknooppunt gedoken, maar experts lijken het erover eens dat rond 2011 de rek er wel uit is. Dan is DRam bij de 45 nanometer aangekomen. Samsung is nu al bezig slimme trucs uit te halen om het geheugentype ’anders‘ te schalen, namelijk door de hoogte in te gaan. De Koreanen stapelen de chips en verbinden ze onderling met through-silicon vias (microscopische kanaaltjes dwars door het silicium heen). Dat doet echter niets af aan het breed geaccepteerde standpunt dat DRam over een jaar of vier tegen het maximum aantal transistoren per oppervlakte-eenheid zal aanlopen. Revolutionaire innovaties daargelaten.

De situatie is heel anders voor Drams kleine broertje, het eveneens niet-vluchtige SRam. Dit geheugentype heeft een solide koers tot het 22-nanometerknooppunt, dat in de internationale roadmap op de agenda staat voor 2015. SRam heeft een uitermate bescheiden marktaandeel van 1,9 miljard euro, ondanks een aantal superieure eigenschappen zoals een hoge lees- en schrijfsnelheid. Veel ruimte om marktaandeel van DRam af te snoepen, is er echter niet. SRam is te duur.

Sandwich

Een en ander is inzichtelijk te maken met radardiagrammen (zie figuren). Op de periferie van de spinnenwebjes staan tien deels overlappende eigenschappen van een geheugenchip. Zeven daarvan hebben betrekking op technologie: met de klok mee niet-vluchtigheid, transistordichtheid, leessnelheid, schrijfsnelheid, duurzaamheid, energieverbruik en schaalbaarheid van de technologie. De overige drie hebben te maken met economische factoren, te weten de kosten per bit, de compatibiliteit met bestaande CMos-infrastructuur en de marktrijpheid.

De diagrammen drukken op een schaal van 0 (in het centrum) tot 100 (op de buitenste lijn) de sterke en zwakke punten van een geheugentype uit. Die schaal moet worden gezien als relatief en niet als een ijking ten opzichte van een theoretisch maximum. Hoe dan ook, des te verder een geheugen van het centrum blijft bij het verbinden van de scores, des te beter. Een chipje die de buitenste rand helemaal volgt, is het perfecte, universele geheugen.

Zolang flashgeheugen de productiecapaciteit van de meest geavanceerde fabs claimt, lijkt MRAM te zijn veroordeeld tot nichemarkten.

DRam en SRam scoren als gevestigde technologieën natuurlijk uitstekend op CMos-compatibiliteit en marktrijpheid. De impopulariteit van SRam wordt ook meteen duidelijk: de kosten per bit zijn te hoog. SRam heeft zes transistoren per bit nodig, goed voor een niet in te halen achterstand ten opzichte van DRam en andere concurrenten. Dat de technologie een hoge lees- en schrijfsnelheid heeft, is niet genoeg om dat goed te maken.

Aan de niet-vluchtige kant vechten Nand- en Nor-flash het uit, goed voor marktaandelen van respectievelijk 8,7 en 5,7 miljard euro. De sterke punten van beide zijn de dichtheid, het energieverbruik en de kosten per bit. Waar flash echter minder op scoort, zijn schrijfsnelheid en duurzaamheid. Vooral met dat laatste zit de halfgeleiderindustrie in zijn maag, ondanks het feit dat een flashchip tegenwoordig honderdduizend tot een miljoen schrijfcycli meegaat. Zeker met slimme algoritmes die de schrijfbelasting gelijkmatig verdelen over de transistoren, is die nieuwe Ipod zelf eerder aan vervanging toe dan dat de opslagchips het begeven.

De roadmaps van flash reiken tot 2011 (Nor) of 2013 (Nand). Voor daarna is er goede hoop tot 2015, maar dan is de koek op. Al met al reden genoeg om te blijven zoeken naar alternatieve geheugentechnologie, aldus geheugenspecialist Mark Devoss van Isuppli. Hij legde in een recent webinar vier veelbelovende alternatieven naast elkaar en zette ze af tegen bestaande chipsoorten. Zijn oog viel op faseveranderingsgeheugen (phase-change memory, PCM of PRam), ferro-elektrisch geheugen (FRam), magnetoresistief geheugen (MRam) en nanobuisgeheugen (NRam). Op NRam na kunnen al deze soorten rekenen op een stevige belangstelling en support van de industrie.

Van deze geheugentypes behandelde deze rubriek alleen FRam al eerder (zie Bits&Chips 7 van dit jaar). Dit type is dan ook het meest ontwikkelde van de vier en de enige soort die al geruime tijd verkrijgbaar is. Uit de analyse bleek evenwel dat vriend en vijand, onder wie geestelijk vader Ramtron, het er wel over eens zijn dat FRam het niet gaat maken als massaproduct. Het niet-vluchtige geheugentype is dankzij zijn robuustheid en laag energieverbruik populair in industriële toepassingen, maar verder dan nichemarkten gaat FRam het niet schoppen. Devoss wijst dan ook terecht op het relatief complexe productieproces, dat de kosten per bit sterk negatief beïnvloedt.

De eigenschappen van vier gevestigde geheugentypes uitgedrukt in radardiagrammen. Vanaf linksboven met de klok mee: SRam, DRam, Nor-flash en Nand-flash.

Met de lancering door Freescale afgelopen zomer heeft ook MRam al een commerciële versie op de markt, hoewel niet zo lang als FRam. MRam maakt gebruik van magnetisme in plaats van lading om bits niet-vluchtig op te slaan. Er zijn verschillende varianten, maar de gemene deler is een sandwich van een dun isolerend laagje tussen een permanent magnetisch en een magnetiseerbaar laagje. De weerstand van deze sandwich hangt af van de relatieve oriëntatie van de magneetlagen. Dat vormt de basis voor het vereiste schakelelement.

Het meeste intellectuele eigendom van MRam is in handen van NVE, dat het geheugentype nogal agressief vermarkt. ’Het ideale geheugen dat de dichtheid van DRam combineert met de snelheid van SRam en de niet-vluchtigheid van flash of harde schijf‘, valt te lezen op de website van de Amerikanen. De dichtheid is inderdaad een sterk punt van MRam, aangezien de celstructuur van de transistoren lijkt op ‘s werelds meest dichte geheugentype, namelijk DRam. Er is echter goede hoop dat de technologie zich beter laat schalen dan DRam.

Op hoop moet MRam voorlopig teren. Zolang flash de productiecapaciteit van de meest geavanceerde fabs op blijft slokken, heeft MRam geen ruimte om zijn achterstand in te halen. Dat is een tegenvaller voor de voorstanders, wier handen jeuken om de technologie op lagere knooppunten te zetten. Het 4 Mbit MRam, bijvoorbeeld, is een 180-nanometerchip. Om competitief te zijn, zou MRam nu op 65 nanometer moeten staan – maar dat duurt nog wel even. Devoss wijst er in zijn webinar trouwens ook op dat er over het maximale snelheidspotentieel nog vraagtekens bestaan. Wel heeft MRam geen last van het slijtagenadeel dat flash parten speelt.

De eigenschappen van vier opkomende geheugentypes uitgedrukt in radardiagrammen. Vanaf linksboven met de klok mee: FRam, MRam, NRam en PRam. De data voor NRam zijn projecties.

Tam

Ook PRam berust op het meten van een hoge of juist lage elektrische weerstand. Dit type geheugen bestaat uit kleine eilandjes van een materiaal dat zich in twee toestanden kan bevinden: kristallijn of amorf. In de kristallijnen fase zitten de atomen netjes geordend ten opzichte van elkaar en heeft het materiaal een lage weerstand. Bij de amorfe toestand is het net andersom. Meting van de geleidbaarheid van een eilandje kan dus twee verschillende uitkomsten hebben: een 0 of een 1.

In de analyse van Devoss scoort PRam over de hele linie goed, maar nergens maximaal. Ieder geheugentype dat al aardig scoort op lage kosten per bit terwijl het nog niet in massaproductie is, biedt perspectieven. Het lijkt dan ook op termijn aardig te kunnen concurreren met Nor-flash, waarmee het zich zou moeten richten op het marktsegment van de handsets. Devoss wist dan ook te melden dat PRam-samples zijn verscheept naar fabrikanten van bijvoorbeeld mobieltjes en PDA‘s.

Devoss‘ laatste keuze is een buitenbeentje wat betreft marktrijpheid. NRam heeft schijnbaar een aantal haalbaarheidsstudies overleeft en staat nu aan het begin van een ontwikkeltraject. Nantero, een spin-off van het Massachusetts Institute of Technology, neemt dat grotendeels voor zijn rekening. In een NRam-chip zijn koolstofnanobuizen over een elektrode gespannen. In hun natuurlijke staat zijn de buizen recht en raken ze de elektrode niet. Onder een voldoende groot spanninkje buigen ze echter zoveel door dat het midden de elektrode raakt. Dat is te meten en vormt dus een basis voor een elektronische schakeling.

Het radardiagram van NRam ziet er indrukwekkend uit. Dat krijg je met speculatie. Want anders dan de andere spinnenwebjes zijn de data voor NRam gebaseerd op giswerk en wellicht wat extrapolatie in plaats van harde cijfers. Eigenlijk heeft NRam dan ook niets te zoeken in een analyse van opkomende geheugentechnologie. De ervaring leert immers dat menig goed idee naar verloop van tijd zijn impuls verliest – wie herinnert zich bijvoorbeeld nog het bubbelgeheugen? Bovendien is het niet eerlijk om NRam wél en andere alternatieven niet mee te nemen. Devoss stelt NRam – ondanks zijn eigen nuanceringen in het webinar – te veel voor als geheugen-in-ontwikkeling in plaats van geheugen-in-onderzoek.

Devoss is ook wat voorzichtig in het trekken van zijn conclusies. Uit een analyse van de ontwikkelingen in de prijs per bit maakt hij nog wel een zeer interessante observatie. De opkomende technologieën hebben natuurlijk een achterstand op gevestigde chipsoorten. Uit de ontwikkeling van het prijspeil valt op te maken dat er nauwelijks mogelijkheden zijn om die in te halen. DRam, SRam en flash staan ook niet stil. Er moet een schep R&D-geld bovenop om hen van de troon te stoten, zelfs met de schalingsproblemen die zich op termijn gaan aandienen. Devoss wijst bijvoorbeeld op de mogelijkheid meerdere bits in een transistorcel op te slaan, zoals Nand-flash nu al kan.

Met deze observatie in het achterhoofd, wil de marktvorser van Isuppli geen winnend ’opkomend geheugen‘ aanwijzen. Dat is wat al te tam. Zoals zijn eigen analyse al aangeeft, is faseveranderingsgeheugen wel degelijk een mogelijke vervanger van Nor-flash. Met een marktaandeel van 5,7 miljard euro is dat beslist geen klein doelwit. Maar belangrijker is dat niet alle businessmodellen hoeven te mikken op het aanvoeren van de markt. Net als FRam zijn er ongetwijfeld nichemarkten te vinden waar de technologische eigenschappen van een geheugentype prevaleren boven kostenaspecten. Het blijft daarom interessant FRam, MRam, PRam en, op wat meer afstand, NRam te volgen de komende jaren.