Erasable Programmable Read-Only Memory 15.6.1970 – EPROM: Der erste wiederprogrammierbare Speicher-Chip

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Aus einem unerwünschten Nebeneffekt entstand eine Revolution für digitale Speichermedien: Am 15. Juni 1970 meldete Intel-Ingenieur Dov Frohman eine Methode zum Patent an, wie sich ein Floating-Gate-Transistor auf elektrischem Weg programmieren, löschen und wieder neu beschreiben ließ. Der erste wiederprogrammierbare Speicher war geboren.

Als der programmierbare Festwertspeicher bzw. ROM-Chip (Read-Only Memory) in den 60er Jahren aufkam, stellte er eine leistungsstarke Ergänzung im Werkzeugkasten eines Ingenieurs dar. Doch diese Speicher hatten noch eine eklatante Einschränkung: Sie konnten nicht umprogrammiert werden. Programmierbare ROM-Chips bekamen ihre Inhalte regelrecht eingebrannt, indem eine Bitmap durch das Durchbrennen von Dünnfilm-Nichrom-Sicherungen einprogrammiert wurde. Im Anschluss konnte der Speicherinhalt nicht mehr geändert werden, da sich diese Sicherungen nicht zurücksetzen ließen und sich damit der Chipinhalt nicht löschen ließ. Wenn Entwickler neue Speicherinhalte benötigten, mussten dafür eigens neue ROM-Chips programmiert und neu verbaut werden.

Dass sich dies ab 1970 änderte, war tatsächlich einem Qualitätsproblem zu verdanken: 1969 hatte Intel mit dem statischen Speicherbaustein Intel 1101 erstmals einen SRAM-Chip vorgestellt, der serienmäßig in Metalloxid-Halbleiter-Technologie (metal-oxide semiconductor, MOS) hergestellt wurde. Doch Kunden beschwerten sich über die Zuverlässigkeit der Bausteine. Der Ingenieur Dov Frohmann, der zu diesem Zeitpunkt erst kürzlich von Fairchild Semiconductor zu Intel gewechselt war, sollte die Ursache für das Problem herausfinden.

Seine Prüfung ergab, dass Leitungen des Chips eine Ladung aufnahmen, obwohl sie an keine offensichtliche Quelle angeschlossen waren, die diese Ladung verursachten würden. Frohman entdeckte, dass die Siliziumdioxid-Isolatoren im 1101-SRMAM-IC unter bestimmten Umständen Elektronen von den Metallkomponenten absorbierten und infolgedessen eine elektrische Ladung hielten. Diese Ladung störte die Funktion des Chips.

Frohmann konnte das Problem beheben, kam dabei aber auf einen Gedanken: Man könnte die Eigenschaft des Siliziumdioxids nutzen, um gezielt eine Ladung zu induzieren und kontrollieren. Auf diese Weise könnte ein Chip auf elektrischem Weg programmiert werden und seinen Speicherinhalt halten, ohne dass eine ständige Stromzufuhr notwendig wäre. Indem man diesen Ladungszustand wieder neutralisiert, etwa durch eine Strahlungsquelle, ließe sich der Speicherinhalt kontrolliert wieder löschen - und der Chip stünde wieder für eine erneute Programmierung zur Verfügung.

Floating Gates: Speichern mit elektrisch induzierten 1- und 0-Zuständen

Frohman entwickelte eine Speicherzelle mit einem sogenannten Floating Gate – eine frei „schwebende“ Elektrode in einem Transistor, die durch Tunnel-Effekte mit Elektronen aufgeladen werden konnte. Eine geladene Zelle stellte eine „0“ dar, eine ungeladene eine „1“. Auf diesem Weg ließ sich über hohe Spannungen der Inhalt des Chips programmieren. Und dank der speziellen Eigenschaften des Halbleitermaterials blieb dieser Inhalt auch nicht-flüchtig erhalten, ohne dass eine eigene Stromzufuhr notwendig wäre.

In seinem Patentantrag für diesen „Floating-Gate-Transistor" beschreibt Frohman auch, wie diese Speicherzelle für eine Neubeschreibung gelöscht werden könnte: Durch eine Strahlungsquelle, die die Speicherzelle durchdringt, werden sämtliche Ladungen im Chip neutralisiert und wieder ins Substrat zurückgetrieben. Infolgedessen stünde der Chip wieder für eine Neuprogrammierung durch gezielte Ladungen zur Verfügung.

Frohman kam als erstes auf den Gedanken, dass sich Röntgenstrahlung für eine solche Neutralisierung eignen dürfte: Diese hätte kein Problem damit, einen Chip selbst durch sein Gehäuse hindurch zu durchdringen und den gewünschten Effekt herbeizuführen. Allerdings erfordert der Einsatz von Röntgenstrahlung aufwändige Gerätschaften und erwies sich damit außerhalb eines Labors als wenig praktikabel. Schließlich kam er auf die Idee, UV-Strahlung zu verwenden: Er versah das Chipgehäuse mit einem Fenster aus Quarzglas, durch das gezielt ultraviolettes Licht auf das Chipinnere geleuchtet werden konnte. Damit ließ sich Ladezustand wie gewünscht neutralisieren und der Speicherinhalt somit löschen. Das Prinzip des löschbaren programmierbaren Festwertspeichers oder „Erasable Programmable Read-Only Memory" Chips, kurz EPROM, war geboren.

Das Quarzglasfenster war notwendig, um gezielt UV-Licht auf den Chip-Die leuchten zu können, aber gleichzeitig das Chipinnere vor unerwünschter Strahlung zu schützen und so den Inhalt beständig zu halten. Um Kunden von der Sicherheit dieses Prinzips zu überzeugen, soll der damalige Intel-Chef Gordon Moore auf die Idee gekommen sein, einige EPROMs auf dem Firmendach des Unternehmens zu platzieren und sie über einen längeren Zeitraum dem Sonnenlicht auszusetzen. Die Ladung auf dem Floating Gate wurde von dem reinen Sonnenlicht-Einfall nicht beeinträchtigt. Auch wenn diese Vorgehensweise etwas fragwürdig war, ließen sich Endkunden dennoch auf diesem Weg von der Zuverlässigkeit des neuartigen Chip-Prinzips überzeugen.

Der Mikroprozessor sorgt für den Speichertechnik-Durchbruch

Intern stellte Frohman im September 1970 erstmals vor. Im Februar 1971 folgte auf der International Solid State Circuits Conference in Philadelphia die erste öffentliche Demonstration des EPROM-Chips. Laut Gordon Moore nahm das versammelte Fachpublikum die Demonstration mit Begeisterung auf. Im September 1971 erschien schließlich mit dem Intel 1701 der erste kommerzielle EPROM-Chip im Handel; ein verbesserter und weiter verbreiteter Nachfolger, der 1702, folgte wenige Monate später.

Dennoch dachte man selbst bei Intel zunächst, dass man mit dem 2-Kilobit-EPROM-Chip nur ein Nischenprodukt geschaffen hätte, dass Entwicklern Zeit bei neuen Chipdesigns sparen würde: „Der Gedanke war, dass man einen Nur-Lese-Speicher (ROM) als vollwertiges Produktionsgerät haben wollte, aber man konnte einen umprogrammierbaren Speicher (z. B. das EPROM) verwenden, um zu sehen, ob das Design richtig war,“ erinnerte sich Dov Frohman. Ein Ingenieur würde demnach sein System mit dem Bitmuster, das er im EPROM programmiert hatte, testen. Sobald alles wie gewünscht funktionierte, würde er seinen Entwurf anschließend als ein kostengünstigeres, Bitmaskenprogrammiertes 2-Kilobit-ROM in Serie fertigen lassen.

Doch noch im selben Jahr wie der erste EPROM-Chip erschien eine neue Entwicklung auf dem Markt, die den lösch- und wiederbeschreibbaren Speichern zum Durchbruch verhalf: Im November 1971 präsentierte Intel den 4-Bit-Prozessor Intel 4004 – den ersten kommerziell verfügbaren Mikroprozessor. Schnell wurde klar, dass ein flexibler, schnell wiederbeschreibbarer Programmspeicher essenziell war, um diese neuartigen Bausteine effektiv nutzen zu können: Da EPROMs umprogrammiert werden konnten, ließen sie sich wiederholt verwenden, sogar in verschiedenen Systemen. Dies beschleunigte die Produktentwicklung und ließ die Kosten drastisch sinken. Zudem wurde es möglich, das ausgelieferte Produkt im Zweifelsfall im Feld aktualisieren zu können. Diese Kombination von EPROM und Mikroprozessor ermöglichte schnelle Entwicklung, einfache Updates und die serienmäßige Herstellung programmierbarer Systeme. Schon bald legten Intel, aber auch andere Hersteller wie Zilog oder Seeq (später Atmel) mit größeren und effizienteren EPROM-Bausteinen nach.

Vorläufer moderner, nicht-volatiler Flash-Speicher

So praktisch und bahnbrechend die EPROM-Technologie für ihre Zeit auch war, so wies sich doch auch einige Schwächen auf. Zum Einen war der Vorgang zur Löschung und erneuten Programmierung eines solchen Bausteins sehr Zeitaufwändig: Ein Chip musste in etwa 10 bis 30 Minuten mit einer UV-Lampe, zu jener Zeit meist Quecksilberdampflampen beleuchtet werden, ehe der Löschvorgang abgeschlossen war. Und aufgrund des Ionisierungsprozesses war es in der Regel notwendig einige Zeit zu warten, eher der Speicher wieder in der Lage war, die zur Programmierung nötigen Spannungsladungen aufzunehmen. Zum anderen war die Anzahl der Löschzyklen begrenzt: Je nach Baustein konnten EPROM-Chips auf diesem Weg nur etwa 100 bis 200 Mal gelöscht und neu programmiert werden, ehe sie unbrauchbar wurden. Darüber hinaus war eine gezielte Löschung einzelner Register nicht möglich: War eine Änderung oder ein Update nötig, musste der Chip von Grund auf neu gelöscht und programmiert werden.

Doch die Nachfolger standen schon bald in den Startlöchern. Bereits 1974 konnte Siemens ein Patent für einen elektrisch Lösch- und wiederbeschreibbaren Speicher (Erasable Programmable Read-Only Memory, auch EEPROM oder E²PROM genannt) vorlegen, der es erlaubte, mittels Fowler-Nordheim-Tunneleffekt Register zu Löschen und neu zu programmieren, ohne dass hierfür UV-Licht notwendig war. Diese Technologie wurde bis 1978 unter anderem bei Fairchild, Siemens und auch Intel weiter verfeinert und bot neben der leichteren Zugänglichkeit auch das Potenzial für deutlich höhere Speicherdichte. Im Laufe der 1980er Jahre verdrängten diese EEPROMs aufgrund leichterer Handhabbarkeit und einer wesentlich höheren Zahl an potentiellen Lösch- und Schreibzyklen die vergleichsweise umständlichen EPROMs schnell vom Markt – und setzten den Grundstein für moderne, nicht-volatile Flash-Speicher. (sg)

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