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Computerspeichertechnologie: Von Ferritringen bis FRAM

Ferritkernspeicher und eine Flash-Speicherkarte. Bildnachweis: Wikipedia

Magnetischer Ferritringkernspeicher

Als ich 1975 ein junger Kerl war und als Ingenieurstudent arbeitete, testete ich Computerspeichermodule in Militärflugzeugen. Rückblickend betrachtet waren sie wahrscheinlich die ultimative Entwicklung der ferromagnetischen Ringkerntechnologie. Jedes Modul war ca. 18 x 10 x 6 cm groß und enthielt nahezu 600.000 Ferritringkerne, die 32 K x 18-Bit-Wörter des nicht flüchtigen Schreiblesespeichers oder NVRAM enthielten. Jeder Kern hatte einen Durchmesser von ca. 0,033 mm und drei Drähte mussten durch die Öffnung in der Mitte geführt werden. Keine Maschine war präzise genug, um dieses metallische Material zu weben, so dass Menschen mit sehr ruhigen Händen und unglaublichen guten Augen eingestellt wurden, um diese von Hand herzustellen. Diese Herstellungsweise und die vollständige militärische Spezifikation ließen den Stückpreis im Jahr 1975 auf 25.000 Pfund steigen. Ein Kernspeicher nutzt die Hystereseeigenschaft von ferromagnetischem Material, wobei dieses magnetisiert bleibt, wenn die Magnetisierungskraft wegfällt. Wenn der Kern in eine Richtung magnetisiert wird, kann dies eine Logik 1 darstellen. Kehren Sie die Kraft um und schalten den Kern in die entgegengesetzte Polarität, entsteht eine logische 0. Leider zerstört die Methode, die zum Lesen der Daten verwendet wird, die Magnetisierung, sodass auf einen Lesezyklus ein Writeback des ursprünglichen Status folgen muss.

Früher Halbleiterspeicher

Im Jahr 1975 gab es Halbleiterspeicherchips: Intel 2102 1 K x 1 Bit SRAM und 1103 DRAM-Geräte der gleichen Kapazität. Sie wurden in kommerziellen Computern verwendet, wurden jedoch nicht als ausreichend zuverlässig für eine militärische Umgebung eingestuft. „Flüchtig“ zu sein, das heißt, dass Daten verloren gehen, wenn die Stromversorgung abgeschaltet wurde, hat dabei auch nicht geholfen.

In der Regel benötigen Computer zwei Arten von Speicher: Programmspeicher (in der Regel flüchtig), von dem der Anweisungscode so schnell gelesen werden kann, wie es für den Prozessor notwendig ist, und langsamer, aber nicht flüchtiger Speicher mit höherer Kapazität und einem Programmcode, der in den Programmspeicher geladen wird.

Aktuelle Technologie für Allzweck-Computer (Desktop/Laptop)

PC-Designer haben immer die eine oder andere Art DRAM für den Programmspeicher verwendet. Als die Technologie an den Punkt kam, an dem eine einzelne Zelle oder ein Bit auf einen einzigen Transistor und einen Kondensator reduziert wurde, konnte sich nichts Anderes mehr in Bezug auf Dichte und Zugriffsgeschwindigkeit behaupten. Im Laufe der Jahre fand ein „Verkleinerungs“-Prozess statt, bei dem die physische Größe der Zelle verringert wurde, sodass immer mehr Speicherzellen in eine Siliziummatrize gequetscht wurden. Die Reduzierung der Größe hat zu einer Erhöhung der Geschwindigkeit geführt, aber die notwendige ständige „Aktualisierung“ nach wenigen Millisekunden bedeutet, dass ein DRAM immer energiehungrig ist. Diese Aktualisierung ist notwendig, da die Ladung des Kondensators, die den logischen Zustand darstellt, allmählich nachlässt. SRAM, der nicht aktualisiert werden muss, verbraucht weniger Energie und ist schneller und schien somit die bessere Wahl zu sein. Das Problem ist, dass er bis zu sechs Transistoren pro Zelle benötigt und es daher nicht möglich ist, die nur annähernd gleiche Anzahl von Bits pro Chip wie bei einem DRAM zu erreichen. Sowohl dynamischer als auch statischer RAM sind flüchtig und müssen mit einem nicht-flüchtigen Speicher mit Magnetband-, Disketten- oder festplattenbasierten Technologien kombiniert werden. Nicht-flüchtige RAM-Geräte werden seit den 1980er Jahren entwickelt, aber es ist bis heute nicht gelungen, sowohl im Hinblick auf Kapazität als auch Geschwindigkeit, mit der Skalierung von Festplatten und DRAM mitzuhalten.

Aktuelle Technologie für Embedded Computing

Integrierte Prozessoren benötigen wirklich einen permanenten Programmspeicher, da bei den meisten Projekten kein Platz für eine Festplatte oder ein optisches Laufwerk vorhanden ist. In den meisten Fällen reicht ein vorprogrammierter schreibgeschützter Speicher (ROM) aus. Ein Merkmal der integrierten Prozessoren ist, dass sie (in der Regel) nur eine einzige Anwendung ausführen, im Gegensatz zu einer Universalmaschine wie einem PC. Das Problem besteht darin, dass die Firmware-Entwicklung häufig zahlreiche Zyklen von Programmierung, Debugging, Bearbeitung und Neuprogrammierung benötigt, was sehr teuer ist, wenn der Speicherchip jedes Mal weggeworfen wird, wenn ein Fehler gefunden wird.

Der Freund des Entwicklers: Neu programmierbare ROM

Im Jahr 1971 bildete eine Floating-Gate-MOSFET-Speicherzelle die Basis des ersten EPROM, eines programmierbaren und löschbaren ROM-Chips, dem Intel 1702A mit 256 Byte. Leider war er nicht elektrisch löschbar und musste gelöscht werden, bevor ein neuer Code programmiert werden konnte. Er funktionierte durch das Speichern von Ladung am Floating-Gate, das isoliert war, um zu verhindern, dass die Ladung austritt - eher wie bei einem DRAM. Die Isolierung ist so gut, dass Daten für viele Jahre ohne Stromzufuhr zum Chip gespeichert werden können.

Der Preis für die Nichtflüchtigkeit war die Hochspannung, die für eine (relativ) lange Zeit zum Programmieren einer Zelle benötigt wurde. Sie konnte gelöscht werden, indem der Chip etwa 10 Minuten lang mit einem superhellen UV-Licht in einem speziellen Lichtkasten bestrahlt wurde: das Chip-Paket wurde für diesen Zweck mit einem UV-transparenten Quarzfenster ausgestattet. Es konnte dann auf einer speziellen Programmiereinheit programmiert werden, bevor es auf der Zielplatine in eine Buchse eingesetzt wurde. Diese Einheiten wurden – wenig überraschend – UV-EPROMs genannt und waren in eingebetteten Systemen viele Jahre lang der am meisten verbaute Speicher, bis die Floating-Gate-MOSFET-Technologie elektrisch löschbar wurde und zum heutigen Flash-Speicher führte.

Wenn Sie mit einem Flash-Speicher arbeiten, benötigen Sie kein externes EPROM-Programmier- oder UV-Löschgerät. Die Schreibzyklen sind jedoch immer noch langsam, weil Sie immer noch Blöcke und nicht einzelne Zellen löschen und neu programmieren müssen. Wie beim alten UV-EPROM bietet Flash dem Techniker schnellen Direktlesezugriff, aber sehr langsame blockweise Lösch- und Schreibvorgänge. Ein weiterer Nachteil ist die begrenzte Anzahl an Schreibzyklen, die eine einzelne Zelle durchführen kann, bevor sie ausfällt – oft nur ein paar Tausend. Die Programmierimpulse mit relativ hoher Spannung fordern schließlich ihren Tribut von der Zelle und beschädigen sie dauerhaft. Für die Entwicklung von Embedded-Anwendungen ist die Schreibbeständigkeit aber selten ein Problem, solange genügend Kapazität übrig bleibt, um gelegentlich eine Firmware-Aktualisierung durchzuführen, sobald das Produkt geliefert wurde.

Magnetoresistiver RAM (MRAM) - Magnetspeicher auf einem Chip

Ich habe diesen Artikel mit der Beschreibung einer der ältesten digitalen Computerspeicher-Technologien begonnen, die auf der magnetischen Polarität der Ferritringe beruhte. Die physische Größe der Computer begann zu schrumpfen, als die Elektronenröhren ersetzt wurden, zunächst durch diskrete Transistoren und dann durch immer kompaktere integrierte Schaltkreise mit Halbleitern. Diese Entwicklungen funktionierten für kleinere Prozessoren, aber Chip-Designer haben immer versucht, eine Technologie zu finden, die den nicht-flüchtigen Schreiblesespeicher in gleichem Maße verkleinern konnte. Man konnte entweder einen schnellen RAM haben, der alle Daten verlor, wenn die Stromversorgung unterbrochen wurde, oder einen nicht-flüchtigen Speicher, der mit hoher Geschwindigkeit gelesen werden konnte, was jedoch komplizierte und langsame Schreibprozesse erforderte. Ironischerweise kommt jetzt eine Technologie zum Zug, die vor mehr als 30 Jahren entstand und von diesen magnetischen Ferritringen inspiriert wurde – MRAM. Im Prinzip ist eine MRAM-Zelle ein dreischichtiger Stapel, der aus zwei Magnetteilen besteht, die durch eine „Tunnelbarriere“ voneinander getrennt sind. Wenn die Magnetfelder der beiden „Magnete“ ausgerichtet sind, ist der elektrische Widerstand der Tunnelbarriere niedrig und es wird eine logische 0 gelesen. Wenn die Felder entgegengesetzt sind, ist der Widerstand hoch und es wird eine logische 1 gelesen. Im Gegensatz zum alten Kernspeicher ist das Lesen von Daten nicht destruktiv, sodass ein Writeback überflüssig wird. Hinter diesen Magnetfeldern steckt die Frage, die in kontinuierlicher Forschung beantwortet wurde: Wie kann eine ähnliche Chipdichte wie in den neuesten DRAM-Geräten erreicht werden? Wie macht sich also ein MRAM gegenüber DRAM oder Flash?

  • Dichte. MRAM holt gegenüber DRAM in puncto Bit pro Chip schnell auf. Was die Sache noch ein wenig kompliziert macht, sind die relativ hohen Lese- und Schreibströme, die dazu führen können, dass die benachbarten Zellen „gestört“ werden, wenn die Zellengröße schrumpft.
  • Geschwindigkeit. MRAM ist fast so schnell wie DRAM und bietet im Gegensatz zu Flash vollen direkten Lese- und Schreibzugriff. Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass es noch viel schneller gehen kann.
  • Stromverbrauch. MRAM-Geräte sind wesentlich weniger energiehungrig als DRAM, ganz einfach, weil sie nicht flüchtig sind. Die bei der Speicherung der Daten in einem DRAM häufig notwendigen Aktualisierungszyklen sind nicht erforderlich. Beim Schreiben von Daten braucht der MRAM-Speicher auch keine Hochspannungspulse wie ein Flash-Speicher.
  • Datenspeicherung. MRAM speichert Daten im Prinzip auf unbestimmte Zeit, aber man braucht hohe Schreibströme, was aus dem oben unter „Dichte“ angegebenen Grund problematisch werden kann. Die auf einer Flash-Zelle gespeicherte Ladung wird schließlich nachlassen, aber erst nach vielen Jahren und wahrscheinlich nicht während der Nutzungsdauer des Geräts, in das sie eingebaut wurde.
  • Lebensdauer. Bei ordnungsgemäßem Betrieb hat DRAM eine unbestimmte Lebenszeit, im Gegensatz zu Flash, der nur eine begrenzte Anzahl von Schreibzyklen aushalten kann. Das Leben eines Flash-Speichers kann durch „Wear Levelling“ verlängert werden, das bedeutet, dass Speicherschreibvorgänge gleichmäßig über alle Zellen auf dem Chip verteilt werden. Dadurch wird die Problematik vermieden, dass beispielsweise bei einem USB-Speicherstick nur die Hälfte der verfügbaren Kapazität verwendet wird, wobei die Hälfte der Zellen häufig überschrieben und die andere Hälfte überhaupt nicht genutzt wird. Diese Aufgabe wird in der Regel unsichtbar durch einen integrierten Prozessor durchgeführt, der auch eine mit PC-Betriebssystemen wie Windows und Linux kompatible Dateistruktur vorgibt. MRAM kann eine unbegrenzte Lebenszeit haben, aber, wie bereits gesagt, wird diese durch die Größe der Lese-/Schreibströme beeinträchtigt.

Ferroelektrischer RAM (FeRAM oder FRAM)

FRAM arbeitet ähnlich wie der alte magnetische Kernspeicher, aber mit einem elektrischen statt eines magnetischen Felds, um das Speicherelement von einem Zustand in den anderen zu schalten. Das nennt man ferroelektrisch, nicht weil er Eisen enthält, sondern weil die Umschaltung des Zellenzustands dieselben Hystereseeigenschaften wie der alte ferromagnetische Kernspeicher hat. Strukturell hat eine FRAM-Zelle dieselbe dreischichtige Form wie ein MRAM: ein ferroelektrischer Kristall aus Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) zwischen zwei Elektroden. Der logische Zustand wird als Position eines Atoms in einem Molekül des PZT gespeichert. Die Grundstruktur mag dem MRAM ähneln, aber der Vorgang ist eher wie beim alten Kernspeicher: Das Lesen der Daten ist destruktiv, was einen Writeback-Zyklus erforderlich macht. Durch den direkten Lese-/Schreibzugriff eines FRAM wird er in eingebetteten Anwendungen zur sehr attraktiven Alternative für Flash.

  • Dichte: Die aktuelle Technologie kann bei Bits/Chip nicht mit DRAM mithalten, aber neuere ferroelektrische Materialien versprechen eine höhere Kapazität.
  • Geschwindigkeit: FRAM ist langsamer als der schnellste DRAM, aber Geräte mit Zugriffszeiten von einigen Nanosekunden sind theoretisch möglich. Das destruktive Lesen erhöht jedoch die Zykluszeit des Speichers, wodurch das Intervall zwischen aufeinander folgenden Lesezugriffen größer wird.
  • Stromverbrauch: Wie ein MRAM ist ein FRAM ein Gerät mit niedrigem Energieverbrauch, da keine Aktualisierungszyklen erforderlich sind und für das Schreiben von nicht-flüchtigen Daten keine hohe Spannung notwendig ist.
  • Lebensdauer: FRAM kann erheblich mehr Schreibzyklen als Flash aushalten, obwohl dies letztendlich auch Druck- und Ermüdungsprobleme verursacht. Für die meisten Zwecke kann die Lebenszeit jedoch als unbestimmt angesehen werden.

Strahlungstoleranz

Ein Merkmal von MRAM und FRAM, das sie in bestimmten Spezialgebieten sehr attraktiv macht, ist ihre Beständigkeit gegen ionisierende Strahlung, sei es von radioaktiven Elementen in medizintechnischen Instrumenten oder kosmischen Partikeln im Weltraum. Die schrumpfende Größe von DRAM- und SRAM-Zellen macht sie zunehmend anfällig für „Single Event Upsets“, bei denen der Zustand des Speicherbits durch ein kosmisches Partikel gestört wird, in der Regel vorübergehend, aber manchmal dauerhaft. Ein Flash- und SRAM-Speicher auf vielen Mikrocontroller-Chips, die für Anwendungen mit hoher Zuverlässigkeit ausgelegt sind, verfügt über eine Fehlerkorrekturcodierung, um dieses Risiko zu verringern.

Keine dieser oder anderer (siehe unten) Technologien ist zwar vollständig ausgereift, aber es wurden Fortschritte erzielt und es gibt Produkte auf dem Markt. Cypress Semiconductor verfügt über eine große Auswahl an Speicherchips und Texas Instruments über FRAM-Speicherversionen der MSP430FRxxxx-Serie von 16-Bit-Mikrocontrollern.

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Engineer, PhD, lecturer, freelance technical writer, blogger & tweeter interested in robots, AI, planetary explorers and all things electronic. STEM ambassador. Designed, built and programmed my first microcomputer in 1976. Still learning, still building, still coding today.

21 Feb 2019, 13:53

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