MRAM vs. ReRAM vs. PCM vs. FeRAM: Neue Speichertechnologien im Vergleich

Diese vier neuen nichtflüchtigen Speicher versuchen alle, die Geschwindigkeit von RAM mit der Datenhaltung ohne Stromversorgung zu verbinden. Sie unterscheiden sich darin, was das Bit speichert: die Magnetisierung eines dünnen Films (MRAM), den Widerstand eines Filaments in einem Oxid (ReRAM), den kristallinen oder amorphen Zustand eines Materials (PCM) oder die Polarisation eines Ferroelektrikums (FeRAM). Keiner hat DRAM oder Flash bisher flächendeckend ersetzt, doch jeder hat seine Nische gefunden.

Aspekt	MRAM	ReRAM	PCM	FeRAM
Was das Bit speichert	Magnetisierungsrichtung einer freien Schicht in einem magnetischen Tunnelkontakt, gelesen als niedriger oder hoher Widerstand	Widerstand eines leitfähigen Filaments, das sich in einer Metalloxidschicht bildet und wieder auflöst	Kristalliner (niedriger Widerstand) oder amorpher (hoher Widerstand) Zustand eines Phasenwechselmaterials	Polarisationsrichtung eines ferroelektrischen Materials in einem Kondensator
Schreibverfahren	Strom per Spin-Transfer-Torque (STT) oder Spin-Orbit-Torque (SOT)	Spannungsimpulse (SET und RESET)	Wärmeimpulse: Schmelzen und Abschrecken für den amorphen Zustand, Tempern zum Kristallisieren	Ein elektrisches Feld kippt die Polarisation
Lesen	Widerstandsmessung	Widerstandsmessung	Widerstandsmessung	Kondensatortyp: destruktiv, daher müssen die Daten nach dem Lesen neu geschrieben werden
Geschwindigkeit	Schnell: Schreiben in einigen bis zehn ns	Schnell bis mäßig (zehn ns bis Mikrosekunden)	Schnelles Lesen; Schreiben langsamer und energieintensiver	Schnell, zehn ns
Haltbarkeit	Sehr hoch (über 10¹⁰ Zyklen)	Mäßig bis hoch, je nach Bauart unterschiedlich	Mäßig (etwa 10⁶ bis 10⁹ Zyklen)	Sehr hoch beim Kondensatortyp
Dichte	Mäßig: größere Zellen, schwer zu stapeln	Hohes Potenzial: einfache Zellen, Crossbar-Arrays	Hohes Potenzial	Geringer: Der Kondensator lässt sich schwer verkleinern
Zentrale Herausforderungen	Schreibenergie, Zellgröße und Prozesskomplexität	Streuung zwischen den Zellen, der anfängliche Forming-Schritt	Hoher Schreibstrom, Widerstandsdrift im Lauf der Zeit	Skalierung des Kondensators, Integration ferroelektrischer Materialien
Typische Einsatzgebiete	Eingebetteter Speicher in Mikrocontrollern und Automobilgeräten, Datenprotokollierung	Eingebetteter nichtflüchtiger Speicher, In-Memory-Computing für KI	Storage-Class-Memory, eingebetteter Speicher	Kleiner stromsparender Speicher in Chipkarten, Zählern und IoT-Geräten

Die Zahlenangaben sind typische Größenordnungen und variieren je nach Prozessgeneration und Produkt.

Wann welches einsetzen

MRAM: Wenn Sie nichtflüchtigen Speicher mit flashähnlicher Datenhaltung, aber DRAM-ähnlicher Geschwindigkeit und nahezu unbegrenzter Haltbarkeit brauchen, zum Beispiel als eingebetteter Speicher oder für häufige Protokollierung.
ReRAM: Wenn Sie eine einfache, dichte Zelle mit niedriger Spannung wünschen, auch für In-Memory-Computing, das Multiplikation und Akkumulation im Speicherarray ausführt.
PCM: Wenn Sie einen dichteren Speicher zwischen DRAM und Flash wünschen und eine höhere Schreibenergie in Kauf nehmen können.
FeRAM: Wenn Sie in kleinen Mengen einen sehr stromsparenden, schnellen und besonders langlebigen Speicher brauchen, etwa für Chipkarten und Sensoren.

FAQ

Welcher neue Speicher kommt dem Ersatz von DRAM oder SRAM am nächsten?

MRAM kommt bei Geschwindigkeit und Haltbarkeit am nächsten, mit Schreibzeiten von einigen bis zehn Nanosekunden und über 10¹⁰ Zyklen. Wegen der größeren Zellen liegt er bei Kapazität und Kosten pro Bit aber weit hinter DRAM und Flash und wird deshalb als eingebetteter Speicher eingesetzt.

Wie speichert ein Phasenwechselspeicher Daten?

Er erhitzt ein Material, um es zwischen einem kristallinen Zustand mit niedrigem Widerstand und einem amorphen Zustand mit hohem Widerstand umzuschalten. Der Widerstand wird dann als 0 oder 1 gelesen.

Warum ist das Lesen bei FeRAM vom Kondensatortyp destruktiv?

Beim Lesen wird die Polarisation zur Messung umgekippt, wodurch der gespeicherte Wert gelöscht wird. Die Daten müssen daher nach jedem Lesen zurückgeschrieben werden.

Was ist In-Memory-Computing mit ReRAM?

Ein ReRAM-Array kann Multiplikations-Akkumulations-Operationen direkt im Speicher ausführen, indem es den Widerstand jeder Zelle als Gewicht nutzt. Das eignet sich für KI-Anwendungen und vermeidet Datenverschiebungen zwischen Speicher und Prozessor.

Wichtige Begriffe erklärt

MRAM: Nichtflüchtiger Speicher, der Daten als Widerstandsunterschied speichert, der durch die Magnetisierungsrichtung eines magnetischen Tunnelkontakts (MTJ) entsteht.
PCM (Phasenwechselspeicher): Nichtflüchtiger Speicher, der Information im Unterschied zwischen dem kristallinen (niederohmigen) und amorphen (hochohmigen) Zustand eines Chalkogenidmaterials speichert.
ReRAM (resistiver Speicher): Nichtflüchtiger Speicher, bei dem durch Anlegen von Spannung leitende Pfade in einem Oxid oder Ähnlichem gebildet und aufgelöst werden und Information als Widerstandsunterschied gespeichert wird.
FeRAM (ferroelektrischer Speicher): Nichtflüchtiger Speicher, der Information in der Polarisationsrichtung eines Ferroelektrikums speichert. Schreiben ist schnell und energiesparend; er wird unter anderem in IC-Karten verwendet.
Magnetischer Tunnelkontakt (MTJ): Eine Struktur mit dünner Isolierschicht zwischen zwei magnetischen Schichten. Der Widerstand ist niedrig bei paralleler und hoch bei antiparalleler Magnetisierung der Schichten. Er ist das Speicherelement des MRAM.