Flash und DRAM ausgereizt: Diese Speicher werden in Zukunft wichtig

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Flash und DRAM beherrschen seit vielen Jahren den Speichermarkt. Doch in den nächsten Jahren werden zunehmend neue Techniken Anteile erobern – und auf lange Sicht die etablierten Player verdrängen.

Magnetoresistives RAM (MRAM), ferroelektrisches RAM (FRAM), resistives RAM (ReRAM), Phasenwechselspeicher (Phase-Change-Memory, PCM) und andere – seit Jahrzehnten forschen Institute und Unternehmen an Techniken für nichtflüchtige Speicher, die die Erfolgsgeschichte von NAND- und NOR-Flash sowie DRAM weiterschreiben können. Bislang besetzen diese in Punkto Marktrelevanz bestenfalls Nischen. Doch das könnte sich bald ändern: Aktuelle Entwicklungen öffnen die Türen für eine massenhafte Anwendung neuer Speichertechniken.

Trotz COVID-19, trotz der Handelsverwerfungen zwischen den USA und China und trotz zahlreicher anderer Rückschläge – etwa der Verzögerungen bei Intels 3D-Xpoint-(3DXP-)basierendem Optane-DIMM (Dual Inline Memory Module) – befindet sich der Markt für alternative Speichertechniken auf dem Weg zu einem signifikanten Wachstum in den nächsten zehn Jahren.

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36 Mrd. US-Dollar im Jahr 2030: Neue Speichertechniken vor Wachstumsschub

Der aktuelle Bericht von Objective Analysis und Coughlin Associates mit dem Titel „Emerging Memories Find Their Direction“ (etwa: „Aufstrebende Speichertechniken auf dem Weg zur kommerziellen Nutzung“) zeigt, dass Speichertechniken, die bislang eher ein Nischendasein gefristet haben, auf dem besten Weg sind, im Jahr 2030 einen Gesamtumsatz von 36 Milliarden US-Dollar zu erreichen.

Grund dafür sind in erster Linie zwei Entwicklungen: Erstens lassen sich die heute führenden eingebetteten Speichertechnologien, SRAM und NOR-Flash, nicht effizient über 28 nm hinaus auf noch kleinere Prozessknoten skalieren. In absehbarer Zukunft ist Ersatz erforderlich, und der steht bereits als eingebettetes MRAM in den Startlöchern. Doch auch andere Techniken sind denkbar. Die zweite ist die Einführung von Intels Optane-DIMMs, die der Hersteller offiziell als „Optane DC Persistent Memory“ bezeichnet und die aller Voraussicht nach einen bedeutenden Anteil am Server-DRAM-Markt erobern werden.

Auswirkungen auf alle Akteure im Speichermarkt

Halbleiterhersteller und andere Unternehmen, die in den Speichermärkten aktiv sind, müssen diesem Übergang große Aufmerksamkeit widmen, sonst laufen sie Gefahr, auf der Strecke zu bleiben. Designer und Anwender von SoCs sollten sich jetzt schon Gedanken darüber machen, welche Auswirkungen nichtflüchtige Speicher auf ihre Entwürfe haben werden.

Die Veränderungen, die diese neuen Speichertypen in Bezug auf Stromverbrauch und Systemreaktionsfähigkeit mit sich bringen werden, werden die Art und Weise, wie wir die Speichertechnologie nutzen und von ihr profitieren, grundlegend verändern. Diejenigen, die diese Veränderungen verstehen, werden einen tiefgreifenden Wettbewerbsvorteil haben.

Einsatz von MRAM, ReRAM und anderen bereits in KI- und IoT-Anwendungen

Aufstrebende, alternative Speichertechnologien sind für Entwickler aller Arten von Systemen äußerst interessant geworden. In Chips für künstliche Intelligenz (KI) und das Internet der Dinge (IoT) kommen sie bereits als eingebettete Speicher zum Einsatz. Und Entwickler umfassenderer Systeme ändern bereits ihre Architekturen, um die neuen Speicher als leistungsfähigere Alternative zu den heutigen Standard-Speichertechnologien einzusetzen. Dieser Übergang wird die Industrie herausfordern, aber er wird auch bedeutende Vorteile bringen.

Insgesamt ist damit zu rechnen, dass aufstrebende Speichertechniken wie MRAM und PCM wie 3DXP – die zweite Generation von Intel mit deutlich erhöhter Speicherdichte wird voraussichtlich 2021 auf den Markt kommen – in den nächsten Jahren bei den ausgelieferten Bits deutlich schneller wachsen als etablierte Techniken wie NAND-Flash. Bis 2030 werden die Umsätze damit auf gut 36 Mrd. US-Dollar steigen und damit einen substanziellen Anteil am gesamten Speichermarkt erobern.

Umsatz mit diskreten MRAM-Chips steigt um das 300-fache

Diese neuen Speicher werden voraussichtlich zügig einen Teil der etablierten Märkte für die heutigen Mainstream-Technologien wie NOR-Flash, SRAM und DRAM erobern. Dabei werden sie sowohl diskrete Speicherchips als auch die in SoCs eingebetteten Speicher ersetzen, etwa in ASICs, Mikrocontrollern und sogar die Caches in Computerprozessoren.

Der Umsatz mit PCM-Speichern wird bis 2030 auf mehr als 25 Mrd. US-Dollar steigen. Der Grund: Diese Phasenwechsel-Speichertechnik wird günstiger sein als die DRAM-Technik und diese verdrängen. Diskrete MRAM/STT-RAM-Chips werden in zehn Jahren über 10 Mrd. US-Dollar des Marktvolumens ausmachen – das entspricht nahezu dem 300-fachen Umsatz mit MRAM-Baustein im Jahr 2019!

Als potenzielle Nachfolger der Embedded-Speichertechniken NOR und SRAM bringen sich ReRAM und MRAM in Position. Sie könnten zukünftig einen Großteil der NOR- und SRAM-Speicher in System-on-Chips ausmachen. Diese Entwicklung besitzt das Potenzial, zusätzlich essenziell zum Umsatzwachstum der neuen Speicher beizutragen.

Die Kapitalausgaben müssen steigen

Viele dieser aufstrebenden Speichertypen erfordern in der Herstellung neue Materialien und Prozesse. Entsprechend muss auch die Prozesstechnik in den Chipfabriken angepasst werden, was zum Beispiel Investitionen in neue Werkzeuge und Maschinen erforderlich macht.

Beispiel MRAM: Um die Nachfrage im nächsten Jahrzehnt decken zu können, werden die Fabs im Jahr 2030 voraussichtlich rund 700 Mio. US-Dollar in Fertigungsequipment für MRAM investieren müssen – das entspricht etwa dem 16-fachen Betrag dessen, was sie 2019 dafür ausgegeben haben. Damit nicht genug: Es ist durchaus möglich, dass die notwendigen Ausgaben auf bis zu 1,3 Mrd. US-Dollar zunehmen.

Noch ist jedoch nicht klar, welche Speichertechnik als Sieger vom Platz geht. Bereits weitgehend ausgereift sind PCM, ReRAM, FRAM und MRAM. Daneben gibt es weitere, die noch eine gewisse Reifezeit benötigen und deren Vor- und Nachteile in dem aktuellen Bericht von Objective Analysis ebenfalls betrachtet werden.

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* Jim Handy ist General Director von Objective Analysis

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