Alexander Pil
9 June 2006

Flashgeheugens zijn wijdverbreid maar de opslagtechnologie loopt tegen harde grenzen aan bij de gewenste miniaturisatie. Cavendish Kinetics ontwikkelde een alternatief op basis van micro-elektromechanische systemen. Voor deze Nanomech-oplossing ontving het Bossche bedrijf onlangs de European IST Prize, een jaarlijkse Europese prijs voor ICT-innovatie. Recent heeft de geheugenspecialist in een tweede financieringsronde 12,3 miljoen euro opgehaald die het gaat gebruiken op de technologie productierijp te maken. Cor Schepens vergelijkt Nanomech met andere mogelijk vervangers van flash.

Flashgeheugens zijn niet meer weg te denken uit de wereld om ons heen. Onze MP3-spelers bestaan voornamelijk uit dit soort geheugen, maar ook telefoons bevatten een flashkaartje om foto‘s op te slaan. De flitscellen zitten ook in microcontrollers voor elektrisch speelgoed, koffiezetapparaten en wasmachines. Auto‘s bevatten afhankelijk van de luxe-uitvoering maar liefst 50 tot 150 microcontrollers.

Voor fototoestellen en MP3-spelers willen we steeds meer geheugen voor een steeds lagere prijs. Hiervoor gebruiken leveranciers stand-alone geheugenchips. Voor de microcontrollers spreken we van een embedded geheugen. Producenten moeten hier speciale flashtransistoren in één siliciumproces combineren met de standaard transistoren om logica te maken. Bovendien zijn er ook nog eens speciale transistoren nodig die bestand zijn tegen een hogere spanning. Het schrijven en wissen van flash gaat namelijk op 10 tot 15 volt. Deze hogere spanning wordt meestal intern in de chip opgewekt.

Onderzoekers werken aan alternatieven voor het niet-vluchtige flash. Er zijn drie belangrijke nieuwe technologieën in ontwikkeling voor embedded geheugens. Een daarvan komt uit Nederland, uit het lab van Cavendish Kinetics in ‘s-Hertogenbosch.

Flash

De markt van niet-vluchtige geheugens, die de informatie ook vasthouden zonder spanning, bestond vroeger vrijwel geheel uit EEprom. Flash heeft die technologie inmiddels compleet overvleugeld. In principe gebruiken beide dezelfde techniek, alleen is de architectuur voor een flashgeheugen anders. Hierdoor is het een stuk kleiner en past er meer data op een chip.

Digital Twin Conference 2019

Het principe is gebaseerd op een transistor met een extra volledig geïsoleerde gate. Tijdens het schrijven worden met een hoge spanning elektronen dwars door het dunne isolatielaagje heen ’geperst‘. De elektronen blijven gevangen op de gate (die is omgeven door isolatiemateriaal). De aanwezigheid van de geladen deeltjes verandert de drempelspanning. Door het aanbrengen van een referentiespanning, die tussen de oude en de nieuwe drempelspanning ligt, zal de transistor dus weinig of juist veel stroom kunnen geleiden. Op deze manier detecteert de schakeling een 0 of een 1.

Met de verdergaande miniaturisering van transistoren ontstaan echter een paar problemen. Ze ’lekken‘ meer omdat de isolatie te dun is geworden om de elektronen vast te houden. Dat betekent dat de bits minder lang in het geheugen blijven hangen. Er passen ook steeds minder elektronen in de geïsoleerde gate. De drempelspanning verandert hierdoor minder sterk, zodat het steeds moeilijker is om een 1 van een 0 te onderscheiden.

In Nanomech-technologie bepaalt de stand van een nanoschakelaar of de geheugencel een 0 of een 1 bevat. Door de vanderwaalskrachten blijven de data ook zonder stroom bewaard.

Kortom, flashgeheugens zijn niet meer schaalbaar naar de laatste lithografische processen van 45 nanometer en kleiner. Terwijl de stand-alone geheugens inmiddels in 90 nanometer worden gemaakt, zien we dat embedded geheugens momenteel niet verder komen dan 180 nanometer. Dit komt doordat de flashtransistoren zich steeds moeilijker laten integreren met de andere transistoren in nieuwere processen.

Ook de hoge spanning die nodig is om te kunnen schrijven en wissen is een doorn in het oog. Dit vereist speciale transistoren die overweg kunnen met hogere spanningen. Voor chips die standaard op slechts 1,2 volt werken, geldt dat er veel silicium verloren gaat aan charge-pumps om deze spanning op te werken naar de benodigde hogere schrijf- en wisspanning. Bovendien duurt het schrijven (5 tot 50 microseconde) en het wissen (10 tot 100 milliseconde) erg lang.

Geheugenproducenten stoppen al gedurende lange tijd veel geld en energie in het vinden van nieuwe technologieën. De meest bekende zijn MRam en FERam. Ook bestaat er een nanotechnologie op basis van micro-elektromechanische systemen (Mems).

Magnetisch

MRam-geheugens zijn gebaseerd op een magnetisch principe. De polarisatie van een minuscuul magneetje verandert onder invloed van een stroom langs het magneetje. Voor het uitlezen wordt er ook weer een stroompje gebruikt dat afzwakt als de polarisatie van de magneet in de tegenovergestelde richting staat. Dit kleine stroomverschil bepaalt de waarde van het bit.

Wereldwijd is er inmiddels ongeveer 3 miljard dollar gespendeerd aan deze technologie. Het probleem is dat de magneetjes zich moeilijk verder laten miniaturiseren. Een ander nadeel is dat het magnetische materiaal niet standaard wordt gebruikt in een chipfabriek. Vervuiling van de cleanroom is een grote zorg.

Ferro-elektrisch

FERam is gebaseerd op een ferro-elektrisch materiaal dat het diëlektricum voor een capaciteit vormt. Door dit materiaal krijgt de capaciteit een hysterese-eigenschap en de laatste polarisatie bepaalt de waarde van de capaciteit. Bij het lezen van deze geheugens wordt de capaciteit ontladen. De grootte van de ontstane puls is een maat voor de waarde van de capaciteit en daarmee de waarde van het bit. Daarna moet het geheugen echter de gelezen waarde direct weer terugschrijven in de bitcel, omdat het uitlezen de polarisatie heeft veranderd.

FERam heeft een vergelijkbaar schaalbaarheidsprobleem als Dram. Beide werken met capaciteiten en die moeten voldoende groot zijn. Een manier om dat te realiseren, is om ze in diepe groeven op de chip te maken, een zeer moeilijk proces dat zich moeilijk met standaard chipprocessen laat combineren. Ook hier geldt dat ferro-elektrische materialen niet standaard zijn en bovendien erg duur.

De Bossche geheugentechnologie moet de opvolger worden van embedded flash. Stand-alone flashgeheugens zullen echter nog jaren blijven bestaan.

Mems

In Nederland werkt Cavendish Kinetics aan een andere manier om niet-vluchtige geheugens te maken. Deze Nanomech-technologie bestaat uit nanoschakelaartjes die in de metaallagen van een chip worden neergelegd en elektronisch zijn aan te sturen. De schakelaar is een minuscuul draadje dat in een holle ruimte hangt. Boven en onder dit draadje zit een metalen plaatje. Door tussen draad en plaat een spanningsverschil aan te brengen, ontstaat er een elektrostatische kracht, die de eerste naar de tweede toe trekt. Als het draadje het plaatje raakt, zorgen vanderwaalskrachten ervoor dat het blijft kleven. Als de spanning wegvalt, blijft het draadje aan het plaatje gehecht zitten. De stand van de schakelaar bepaalt of het een 0 of een 1 is.

Doordat de nanoschakelaar in de metaallagen ligt, laat deze zich heel gemakkelijk en kostenefficiënt in de allerlaatste processen integreren. De eigenschappen van de schakelaar worden alleen maar beter bij een verdere miniaturisatie. De structuur is te maken met standaard CMos-materialen en standaard apparatuur.

De Nanomech-geheugencellen kunnen wel honderden malen sneller schakelen dan flash. Bovendien gebeurt dit bij een heel lage spanning en gebruiken ze dus ook veel minder vermogen, tot wel 1000 keer minder dan flash. Dat is belangrijk voor alle draagbare apparatuur. Ook zorgt de hoge schrijfsnelheid ervoor dat de geheugens snel zijn te testen. Dat laatste is een essentiële kostfactor bij de embedded geheugens waar het opslagmedium samen met de logica moet worden gecontroleerd op een dure tester.

Flashgeheugens zullen nog jaren blijven bestaan, zeker stand-alone. Embedded flash is echter eerder aan vervanging toe door andere technologieën omdat het steeds moeilijker wordt om flashtransistoren te mixen met de andere transistoren. Deze technologieën moeten ook meteen de andere nadelen van flash verbeteren zoals de lage schrijfsnelheid en de daarbij gebruikte hoge spanningen. MRam blijkt niet verder schaalbaar en FERam alleen met ’diepe groeven‘ om de capaciteit toch voldoende grootte te geven. De eigenschappen van de Nanomech-technologie worden alleen maar beter naarmate de schaal kleiner wordt.

De halfgeleiderindustrie zit met smart te wachten op een nieuwe killer app die de vraag naar chips omhoog zal stuwen. RFID en Zigbee zijn twee kandidaten voor de toekomst, maar voor allebei geldt dat ze tegen erg lage kosten op de markt moeten komen om vervolgens in heel hoge volumes te kunnen worden verkocht. De Nanomech-technologie is in staat om de kosten van deze chips enorm te reduceren en tegelijkertijd de snelheid drastisch te verhogen en het stroomverbruik aanzienlijk terug te dringen.

Cor Schepens is marketingmanager bij Cavendish Kinetics in ‘s-Hertogenbosch. De geheugenspecialist vestigt zich binnenkort ook in Silicon Valley en wil voor het eind van het jaar uitgroeien van ongeveer dertig naar 45 medewerkers.