Ehemaliger Intel-Chef investiert in Z2RAM-Speicher: DRAM-Dichte, SRAM-Geschwindigkeit und Flash-Einfachheit in einem einzigen Chip

Der ehemalige Intel-CEO Patrick Gelsinger hat im vergangenen Jahr eigenes Kapital in das Startup Nagare Labs investiert, das eine neue Speicherklasse namens Z2RAM entwickelt. Nach Vorstellung der Macher soll dieser Speichertyp die besten Eigenschaften zweier etablierter Technologien vereinen: die für DRAM typische Packungsdichte, eine mit SRAM vergleichbare Arbeitsgeschwindigkeit und eine Skalierbarkeit nahe dem Flash-Speicher. Wie Gelsinger gegenüber dem Magazin The Register erklärte, hat der Speichermarkt in den letzten drei Jahrzehnten keine grundlegenden Innovationen gesehen – alle Entwicklungen drehen sich um dieselbe Triade aus SRAM, DRAM und Flash-Speicher –, weshalb das Aufkommen eines alternativen Ansatzes ein gesteigertes Interesse bei Investoren und Herstellern hervorruft.

Technologische Grundlage: Oxidhalbleiter und 3D-Bonding

Die Technologie von Nagare Labs basiert auf Oxidhalbleitern und sieht die Integration des Speichers direkt in Rechenkomponenten unter Verwendung von 3D-Bonding-Technologien vor. Konzeptionell ähnelt Z2RAM dem 3D V-Cache-Speicher, den AMD auf einigen seiner Ryzen-Prozessoren platziert: In der Verpackung des Logikchips erscheint eine zusätzliche Speicherschicht, die das verfügbare Cache-Volumen der dritten Ebene vergrößert. Gleichzeitig ist Z2RAM laut Vertretern von Nagare Labs in der Geschwindigkeit näher an SRAM und im Datenspeicherungsmechanismus näher an DRAM: Im Gegensatz zu einer DRAM-Zelle, die aus einem Transistor und einem Kondensator besteht, enthält eine Z2RAM-Zelle zwei Transistoren und nutzt die Gate-Kapazität des zweiten zur Ladungsspeicherung, was die Lesezugriffszeiten verkürzt.

Dichte: Mehr als das Fünffache von SRAM auf demselben Chip

In seiner ersten Ausführung verspricht Z2RAM eine Bit-Dichte, die mehr als fünfmal so hoch ist wie die von SRAM. Wenn ein SRAM-Chip in einem bestimmten Raum etwa 64 MB Speicher unterbringt, bietet Z2RAM im gleichen Volumen bereits rund 320 MB bei gleichbleibender Bandbreite auf SRAM-vergleichbarem Niveau. Solche Kapazitäten beeindrucken zwar nicht vor dem Hintergrund von Flaggschiff-Beschleunigern mit HBM-Speicher, aber für SRAM-basierte Beschleuniger wie Nvidia Groq könnte dies ein signifikanter Fortschritt sein: Groq 3 LPU-Chips bieten etwa 500 MB SRAM, und beim Übergang zu Z2RAM könnte dieses Volumen theoretisch um das Fünffache und mehr steigen.

Produktion: Einfacher als HBM, aber derzeit nur im Labor

Das vertikale mehrschichtige Layout von Z2RAM erinnert formal an HBM, ist aber aus Sicht der Produktionstechnologie näher an der Schichtbildung in NAND-Chips, was es nach Einschätzung des Startups deutlich günstiger als HBM und einfacher in der Herstellung macht. Gleichzeitig räumt Gelsinger ein, dass HBM in der Paarung „Dichte plus Geschwindigkeit“ nach wie vor das Beste auf dem Markt bleibt, wenn auch mit Einschränkungen bei Dichte, Energieverbrauch und Bandbreite an den Peripheriebereichen des Chips. Z2RAM-Prototypen haben die Labore noch nicht verlassen, weshalb Nagare Labs einen Partner mit einer Pilotfertigungslinie sucht, um die ersten Muster zu produzieren. Funktionsfähige Chips plant das Unternehmen innerhalb von vier Jahren zu erhalten und die Massenlieferung von Serienexemplaren innerhalb des nächsten Jahrzehnts aufzubauen.

Risiken: Fehlender Standard und Oxidinstabilität

Das Unternehmen ist bereit, mit Entwicklern von Drittanbietern zusammenzuarbeiten, die Z2RAM in ihre Komponenten integrieren möchten, aber auf diesem Weg stehen zwei Hindernisse. Das erste ist das Fehlen einer Standardschnittstelle: Das Startup könnte sie zwar selbst entwickeln, aber dies ist eine komplexe Aufgabe. Das zweite ist die geringe Stabilität der Eigenschaften von Oxidhalbleiterprodukten, was die Produktionsskalierung erschwert. Laut Nagare Labs haben strenge Industriestandards bereits so manche Entwicklung im Bereich neuer Speichertypen „beerdigt“, aber der Markt eröffnet gleichzeitig neue Chancen. Gelsinger stellt fest, dass der Boom der künstlichen Intelligenz einen akuten Bedarf sowohl an Bandbreite als auch an Speicherkapazität in der bestehenden Infrastruktur aufgedeckt hat, weshalb ein enormes Interesse an bahnbrechenden Entwicklungen in diesem Bereich besteht und Kapitalressourcen zu deren Förderung bereitgestellt werden.