Schnelle und energieeffiziente Speicher Ferroelektrische Speicher in industrieller Fertigungstechnologie produziert

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FRAM-Chips versprechen eine höhere Geschwindigkeit beim Speichern und Verarbeiten von Daten, bei gleichzeitig niedrigerem Energiebedarf. Forschern des Fraunhofer IPMS ist es mit Hilfe von Globalfoundries gelungen, ultraschnelle ferroelektrische FRAM-Speicher auf Basis von Hafniumoxid in eine bestehende industrielle Fertigungstechnologie zu integrieren.

Digitale Systeme stellen immer höhere Anforderungen an Speicher: Sie sollen schnell, langlebig, nicht flüchtig und zugleich extrem stromsparend sein. Gerade bei Anwendungen im Automotive-Bereich, der Industrieautomation oder der Medizintechnik stoßen bisherige Speicherlösungen dabei an ihre Grenzen. Im Rahmen eines gemeinsamen Forschungsprojekts haben das Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS und Globalfoundries diese Problematik adressiert und eine neuartige Speichertechnologie etabliert, die energieeffiziente Elektronik und neue Rechenarchitekturen ermöglicht.

Ferroelektrischer Speicher für dauerhafte Sicherung

Im Zentrum der Arbeiten steht ein FRAM-Speicher (Ferroelectric Random Access Memory), der das ferroelektrische Material Hafniumoxid nutzt, um Informationen dauerhaft zu speichern: „Bei der ferroelektrischen Speichertechnologie werden Ionen sehr schnell in einem Kristallgitter verschoben, was zu einer veränderten Polarisation führt. Genau diesen Effekt kann man zum Speichern von Informationen nutzen“, erklärt Konrad Seidel, Leiter des Geschäftsfelds Emerging Memory Solutions am Fraunhofer IPMS. Der große Vorteil dieser Methode: Die Information bleibt auch ohne Strom erhalten – und kann beliebig oft ausgelesen werden, ohne dabei verloren zu gehen.

Integration in industrielle Chipfertigung

Ein zentraler Erfolg des Projekts ist die Integration der Speicher in eine bestehende industrielle Fertigungstechnologie. Die Forschenden entwickelten einen reproduzierbaren Ansatz, um ferroelektrische FRAM-Zellen in den 22FDX Technologieknoten von GlobalFoundries einzubetten – eine Plattform, die speziell auf die Herstellung von Ultra-Low-Power-Mikrochips ausgelegt ist. Die Forscher konnten damit belegen, dass die Speichertechnologie auch auf hochskalierten industriellen Strukturen gefertigt werden kann, was der Wirtschaftlichkeit zuträglich ist. Die neuartigen Speicherzellen arbeiten mit energiesparenden Betriebsspannungen unter einem Volt, schalten in wenigen Nanosekunden und weisen eine hohe Zyklenfestigkeit auf, d. h. sie überstehen viele Schreib- und Löschvorgänge zuverlässig.

Die so demonstrierte FRAM-Speichertechnologie ist nach Angaben der Forscher besonders für Anwendungen relevant, bei denen Energieeffizienz entscheidend ist – etwa autonome Sensoren, batterie- oder akkubetriebene Systeme oder Künstliche Intelligenz direkt im Gerät. „Der Leistungsverbrauch ist mit unserer nicht flüchtigen Speichertechnologie viel geringer als bei bestehenden Lösungen. Das macht es möglich, Künstliche Intelligenz nicht nur in Rechenzentren, sondern direkt in Edge-Anwendungen, bei denen Daten lokal im Gerät verarbeitet werden, einzusetzen“, erläutert Dr. Maximilian Lederer, Lead Scientist am Fraunhofer IPMS.

Aus Industriesicht ist dieser Fortschritt entscheidend: „Eine bezahlbare Ultra-Low-Power-Technologie mit einer dafür ideal passenden Speicherlösung ist gerade für Anwendungen wie Edge-KI hochattraktiv. Hier treffen zwei Technologien zusammen, die sich perfekt ergänzen“, betont Dr. Sven Beyer von Globalfoundries.(sg)

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