Nanotechnologie in der Speicherentwicklung

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Namen der Autoren:	Björn Wranik, Evgenij Scharypov
Titel der Arbeit:	"Nanotechnologie in der Speicherentwicklung"
Hochschule und Studienort:	FOM Essen

Inhaltsverzeichnis 1 Abkürzungsverzeichnis 2 Abbildungsverzeichnis 3 Einleitung 3.1 Problemstellung 3.2 Vorgehensweise 3.3 Zielsetzung 4 Speicherentwicklung 4.1 Definition 4.2 Historie 4.3 Arten der Datenspeicherung 4.3.1 Flüchtige Speicher 4.3.2 Nichtflüchtige Speicher 5 Aktueller Stand der Speicherentwicklung 5.1 Optische Technologie 5.2 Magnetische Technologie 5.3 Halbleitertechnologien 6 Nanotechnologie 6.1 Besonderheiten 6.2 Anwendungsfelder 6.3 Forschungsbereiche 6.3.1 MRAM 6.3.2 FRAM 6.3.3 Holografische Speicher 6.3.4 OUM 6.3.5 Nanotube RAM 7 Roadmaps ausgewählter Marktteilnehmer 7.1 IBM 7.2 Samsung Elektronics 8 Wirtschaftlichkeit 9 Schlussbetrachtung 10 Fußnoten 11 Literatur- und Quellenverzeichnis

1 Abkürzungsverzeichnis

Abkürzung	Bedeutung
CD-ROM	Compact Disc Read-Only Memory
CPU	Central Processing Unit
DDR-SDRAM	Double Data Rate Synchronous Dynamic Random Access Memory
DIN	Deutsches Institut für Normung
DRAM	Dynamic Random Access Memory
DVD	Digital Versatile Disc
EEPROM	Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory
EROM	Erasable Read-Only-Memory
FRAM	Ferroelectric Random Access Memory
HD-DVD	High Density Digital Versatile Disc
HVD	Holographic Versatile Disc
IBM	International Business Machines Corporation
IC	Integrated circuit
IDE	Integrated Device Electronics
ISO	International Organization for Standardization
MTBF	Mean Time Between Failures
NAND	Not AND
OTP	One Time Programmable
RAM	Random Access Memory
RAMAC	Random-Access Method of Accounting and Control
ROI	Return Of Investment
ROM	Read Only Memory
SCSI	Small Computer System Interface
SDRAM	Synchronous Dynamic Random Access Memory
SRAM	Static random accesss memory
USB	Universal Serial Bus
USPTO	United States Patent and Trademark Office

2 Abbildungsverzeichnis

Abb.-Nr.	Abbildung
1	Speicherpyramide
2	Lochkarte
3	Trommelspeicher
4	Diskette
5	Festplatte
6	Arbeitsspeicher
7	DVD
8	Halbleiter Überblick
9	Optische Speichermedien
10	Aufbau einer CD
11	Funktionsweise einer CD
12	Größenvergleich der Optischen Formate
13	Aufbau einer Festplatte
14	Größenvergleich mit verschiedenen Materialien
15	Funktionsweise einer Festplatte
16	Entwicklung von Festplatten
17	ROM Schaltung
18	SDRAM Schaltung
19	Flash Speicher
20	Aufbau einer Flash Speicherzelle
21	Äste und Zweige auf Nanobasis
22	Die 20-stufige Pagode aus Leuchtdioden im Heinz-Nixdorf-Museumsforum in Paderborn soll das Mooresche Gesetz symbolisieren
23	Entwicklung der Strukturgröße in den Standardtechnologien der Micro- und Nanotechnolgien
24	Zum Beschreiben des Holografischenspeichers verwendet GE einen Laser mit 405nm Wellenlänge
25	3D-Modell von drei verschiedenen Kohlenstoffröhrchen
26	Product Functions/Chip and Industry Average "Moore's Law" Trends
27	Product Generations and Chip Size Model Technology Trend Targets
28	Half Pitch and Gate Length Trends
29	IBM Semiconductor Technology Roadmap

3 Einleitung

Von Urzeit an versucht der Mensch Güter und Informationen zu speichern, um diese jederzeit nach Bedarf benutzen zu können. In den Anfängen der Menschheit erfolgte die Aufbewahrung von Gütern durch die Lagerung an sicheren Orten. Zum Austausch von Informationen entwickelte sich die Sprache. Zur Sicherung der Daten wurden diese in Stein gemeißelt oder auf Papyrus geschrieben, jedoch war der Informationsumfang sehr gering. Mit der Erfindung des Buchdruckes konnten viele Informationen komprimiert und für viele Personen zugänglich gespeichert werden. Einer der wichtigsten Schritte in der Speicherentwicklung war die elektrische Speicherung von Informationen. So konnten immer mehr Informationen auf einer immer kleineren Fläche gespeichert werden. Die Speichertechnik wurde immer kleiner und kam so in Bereiche die das menschliche Auge nicht mehr erfassen konnte. Der aktuelle Stand in der Speicherentwicklung umfasst Versuche Informationen auf einzelne Atome zu speichern, um somit das gesamte Wissen der Menschheit in einer Hand halten zu können. Das Zeitalter der Nanotechnologie hat begonnen.

3.1 Problemstellung

Die Nano-Speicher-Technologie befindet sich in der Wachstumsphase. Es existieren diverse Strategie und variierende Techniken der unterschiedlichsten Fabrikanten.

3.2 Vorgehensweise

Diese Fallstudie behandelt die Speicherentwicklung insbesondere im Bereich der Nanotechnologie. Einleitend werden die Definition und die Historie der Speicherentwicklung einen kurzen Einblick in das Themengebiet geben. Es folgt eine Auseinandersetzung mit dem aktuellen Stand der Speicherentwicklung. Anschließend wird der Bereich der Nanotechnologie thematisiert. Es folgt ein Überblick der aktuellen Forschungs- und Entwicklungsstadien, um dann auf die Roadmaps einiger ausgewählten Marktteilnehmer einzugehen. Vor dem abschließenden Gesamtüberblick der Ziele, wird noch die Wirtschaftlichkeit der Nanotechnologie beleuchtet.

3.3 Zielsetzung

Das Hauptziel dieser Fallstudie ist die Betrachtung der Nanotechnologie und das Aufzeigen von Basisinformationen, sowie die Beleuchtung des stetig wachsenden Marktes. Ein Vergleich ausgesuchter Marktteilnehmer verdeutlicht den aktuellen Stand in der Entwicklung und die potentielle Zukunft.

4 Speicherentwicklung

Die Entwicklung von Speichermedien in der Informationstechnologie ist ein hoch innovativer Prozess. Dieses Kapitel bietet einen Einblick in diesen Bereich, angefangen mit der Definition, über die Historie der letzten Jahrzehnte, bis zu der unterschiedlichen Art der Datenspeicherung.

4.1 Definition

Eine allgemein anerkannte wissenschaftliche Definition des Begriffes der Speicherentwicklung existiert nicht, deshalb wird die Bedeutung der einzelnen Wortteile dargestellt, um diesen Begriff zu definieren

„Speicher“ wird laut DIN/ISO folgendermaßen definiert: eine Funktionseinheit in einem digitalen Rechensystem, das die Daten und Befehle aufnimmt, aufbewahrt oder abgibt.

„Entwicklung“ wird wie folgt definiert: eine Veränderung in einem bestimmten zeitlichen Prozess. Folgerichtig ist „Speicherentwicklung“ ein zeitlicher Prozess ist bei dem die Speicher neu entwickelt, modifiziert oder optimiert werden.

Die Speichermedien werden unterteilt in interne und externe Speicher. Die internen Speicher sind alle Speichermedien und Speicherarten die nah am Prozessor liegen. Insbesondere die Register, die Level 1 und Level 2 Cache, sowie der Arbeitsspeicher. Die externen Speicher sind alle Speichermedien und Speicherarten die weit entfernt vom Prozessor sind. Hauptsächlich die magnetischen Laufwerke, die optischen Laufwerke und die elektrische Laufwerke.^[1] Das Leistungsvermögen eines Speichers wird durch folgende Faktoren bestimmt:^[2]

• Speicherkapazität, die Menge der Daten die auf dem Datenträger gespeichert werden
• Zugriffszeit, die Zeit die benötigt wird um auf eine definierte Position zuzugreifen (lesend oder schreibend)
• Übertragungsgeschwindigkeit, die Geschwindigkeit die ein kompletter Datentransport zur Zentraleinheit benötigt
• Zuverlässigkeit, die Zeit die ein Speicher laut Herstellerangaben fehlerfrei arbeitet (MTBF)

4.2 Historie

Diese historische Übersicht ist nicht auf die Entwicklung einer bestimmten Speicherart festgelegt, vielmehr wird auf die wichtigen Speichermedien und Speichergeräte eingegangen. Es werden ausgewählte Ereignisse in einer chronologischen Reihenfolge dargestellt, um einen Überblick über den schnellen und innovativen Prozess der Speicherentwicklung zu erhalten. Darüber hinaus wird der Kerngedanke der Speicherentwicklung verdeutlicht, nämlich die Leistungssteigerung und die Kapazitätsverbesserung unter der Prämisse die Größe der Speicherkomponenten zu minimieren und die Kosten pro Byte zu optimieren.

Entnommen aus:[1] Abbildung 2: Lochkarte

Entnommen aus:[2] Abbildung 3: Trommelspeicher

Entnommen aus:[3] Abbildung 4: Diskette

Entnommen aus:[4] Abbildung 5: Festplatte

Entnommen aus:[5] Abbildung 6: Arbeitsspeicher

Entnommen aus:[6] Abbildung 7: DVD

Jahr[3][4]	Ereignis[3][4]
1834	Charles Babbage beginnt mit dem Bau seiner Analytische Maschine. Diese verwendet lesenden Speicher in Form von Lochkarten.
1932	Gustav Tauschek entwickelt in Österreich den Trommelspeicher.
1936	Konrad Zuse meldet seinen mechanischen Speicher, der im Computer benutzt wird, zum Patent an. Dieser Computerspeicher arbeitet mit beweglichen Metallteilen.
1939	Helmut Schreyer entwickelt einen Speicherprototyp, der mit Neon Lampen arbeitet.
1942	Der Atanasoff-Berry Computer hat als Speicher 60 50-Bit Wörter in Form von Kondensatoren, die auf zwei sich drehenden Trommeln befestigt sind. Zusätzlich werden Lochkarten als Speicher verwendet.
1947	Frederick Vieh beantragt ein Patent für eine Entwicklung, die auf einem magnetischen Kernspeicher basiert. Magnetische Trommelspeicher werden unabhängig von mehreren Personen (An Wang, Kenneth Olsen und Jay Forrester) entwickelt. Jay Forrester ist ein Pionier der frühen digitalen Computerentwicklung und erfindet den wahlfreien Zugriff im Zusammenhang mit magnetischen Speichern.
1949	Jay Forrester besinnt sich auf die Idee des magnetischen Kernspeichers. Ein Gitter aus Drähten wird benutzt, um den Kern zu addressieren.
1951	Jay Forrester meldet den Matrixkernspeicher zum Patent an.
1952	IBM produziert eine Magnetbandeinheit als externen Speicher. Die Speicherkapazität beträgt 1,4-MB auf einem 12-Zoll Rollenband mit eine Länge von 720 Metern.
1955	An Wang erhält das Patent mit 34 Ansprüchen für den magnetischen Kernspeicher.
1956	IBM bringt den IBM RAMAC 305 auf dem Markt. Dieses System besitzt als erstes eine Platten-Speichereinheit.
1966	Intel startet mit dem Verkauf von Halbleiterchips mit einem 2000-Bit Speicher.
1968	USPTO erteilt das Patent für eine 1-Transistor-DRAM-Zelle an Robert Dennard IBM. DRAM (Dynamic Random Access Memory) ersetzt den magnetischen Kernspeicher und wird der neue Standard Speicherchip für Computer.
1969	IBM bringt das erste Diskettenlaufwerk für die Computerserie System/370 auf den Markt. Disketten können ausschließlich gelesen werden, die Kapazität liegt bei 80-KB.
1970	Intel veröffentlicht den 1103 Speicherchip, den ersten verfügbaren DRAM Speicher.
1971	Intel veröffentlicht den 1101 Speicherchip, einen programmierbarer 256-Bit Speicher, sowie den 1701 Speicherchip, einen 256-Byte EROM (erasable-read-only-memory).
1972	Die Firma Memorex bringt das erste Diskettenlaufwerk mit Schreibfähigkeit auf den Markt.
1973	IBM startet das "Winchester" Projekt, mit dem Ziel einen rotierenden Speicher mit einem fest montierten Medium zu entwickeln.
1974	Intel erhält ein US-Patent für ein System eines Vielfachspeichers.
1975	Der Altair wird veröffentlicht. Dieser Rechner benutzt einen Intel 8-Bit 8080 Prozessor und beinhaltet 1-KB Speicher. Im gleichen Jahr entwickelt Bob Marsh eine 4-KB Speicherplatine für den Altair.
1976	Die Firma Shugart Associates entwickelt die 5,25-Zoll Diskette.
1979	Präsentation der ersten 8-Zoll Winchester Laufwerke.
1980	Präsentation der ersten 5,25-Zoll Winchester Laufwerke durch die Firma Seagate Technology.
1981	Sony stellt die 3,5-Zoll Diskette im starren Gehäuse vor, mit zunächst 720-KB in 9 Sektoren, dann 1440-KB in 18 Sektoren.
1983	Philips und Sony stellen die CD-ROM vor, ein Ableger der Musik-CD.
1984	Apple Computers veröffentlicht den Macintosh-PC. Der erste Computer mit einem 128-KB Speicher. Der 1-MB Speicherchip wird entwickelt.
1986	Festlegung der Spezifikation von SCSI, eines der ersten Protokolle für Festplattenschnittstellen.
1987	Microsoft Bookshelf ist die erste Applikation, die auf CD-ROM ausgeliefert wird.
1989	Standardisierung von IDE, auch bekannt als AT-Bus.
1991	Die erste 2,5-Zoll Festplatte mit 100-MB Speicherkapazität wird vorgestellt.
1993	NEC entwickelt CD-Laufwerke die 3-fach bzw. 4-fach lesen können.
1994	Das Compact-Flash-Medium mit vier 4-MB Kapazität wird von SanDisk vorgestellt.
1995	Der DVD Standard wird festgelegt. Die DVD (Digital Video Disc) gilt als reines Speichermedium für Videodaten.
1997	Erster Einsatz des Riesen-Magnetowiderstands (Giant Magnetoresistive Effect) bei Festplatten zur Steigerung der Speicherkapazität.
1998	Sony stellt den ersten Memory-Stick vor.
1999	Verkauf der ersten DVD-Brenner im Handel.
2002	Die Spezifikationen für die Blu-ray Disc wird durch die neun Unternehmen der Blu-ray Group festgelegt.
2004	Die Spezifikation für die HVD wird festgelegt.
2005	Erstellung des Prototyps einer 2,5-Zoll Hybrid Festplatte, die aus einem magnetisch-mechanischen Teil und einem zusätzlichen NAND-Flash Speicher zusammengesetzt ist.
2007	Hitachi produziert die erste Terabyte-Festplatte.
2008	Das Blu-ray Format setzt sich gegen das HD-DVD Format durch.

4.3 Arten der Datenspeicherung

Die Datenspeicherung kann, je nach gewünschtem Verwendungszweck, auf unterschiedliche Arten erfolgen. Diese sind mechanisch, elektrisch, magnetisch, optisch oder eine Kombination aus diesen Varianten. Jede Speicherart hat entsprechende Vor- und Nachteile. Es wird nun insbesondere auf interne Datenspeicher eingegangen und externe Datenspeicher werden zunächst bewusst ignoriert. Interne Datenspeicher sind alle Speicher die nah an der CPU angebunden sind bzw. die sich auf der Hauptplatine befinden.

4.3.1 Flüchtige Speicher

Speicher die als „flüchtig“ charakterisiert werden benötigen eine ununterbrochene Versorgungsspannung, ansonsten gehen die Speicherzustände verloren. Alle RAM-Speicher sind flüchtig, da sie nach dem Abschalten der Versorgungsspannung ihren Speicherinhalt vergessen. Diese Eigenschaft wird insbesondere beim Arbeitsspeicher benötigt, da die Daten nur kurz für eine Berechnung benötigt werden, nach der Rechenoperation wird der gleiche Speicherplatz für andere Daten verwendet.^[5]

4.3.2 Nichtflüchtige Speicher

Speicher die als „nichtflüchtig“ charakterisiert werden behalten auch bei Unterbrechung der Versorgungsspannung ihren Speicherzustand. Die Daten müssen erst gelöscht werden, damit sie nicht mehr vorhanden sind. Nichtflüchtige Speicher unterscheiden sich durch die Speicherverfahren und die Speicherkapazität. Alle ROM-Speicher, sowie alle externen Speicher sind nicht flüchtige Speicher. Um den gewünschten Speicherzustand beizubehalten werden für ROM und Flash-Speicher Flip-Flops genutzt.^[6]

5 Aktueller Stand der Speicherentwicklung

5.1 Optische Technologie

Optische Datenträger sind Mikrofilme, optische Speicherplatten und optische Speicherkarten. Diese Datenträger nutzen Licht oder Laser erzeugte Wärmeenergie zum Schreiben und Lesen von Informationen auf optisch reaktivem Material. Darunter können auch Datenträger fallen die Daten in visuell wahrnehmbarer Form speichern, wie Strichcodes.^[7] In diesem Kapitel werden wichtige optische Datenspeicher kurz erläutert, auf ausgewählte Optische Speicherplatten wie CD, DVD und Blu-ray Disc wird ein umfassenderer Einblick gewährt, da diese Technologien häufiger eingesetzt werden.

Ein Mirkrofilm ist ein Datenträger aus Filmmaterial bei dem die Daten sehr stark verkleinert auf diesem Film aufgezeichnet werden. Die schriftlichen und bildlichen Informationen sind visuell lesbar. Zum Lesen wird jedoch ein spezielles Gerät benötigt.^[7]

Optische Speicherplatten sind stabile Kunststoffscheiben bei denen mit Hilfe der Laserenergie Daten auf einer Speicherschicht geschrieben werden. Das Schreiben verändert die Speicherschicht, welche beim Lesen ermittelt und umgewandelt als Binärcode an den Rechner übertragen wird. Die Daten sind für den Menschen nicht visuell wahrnehmbar.^[9]

Die DVD und die Blu-ray Disc sind Weiterentwicklungen der CD und basieren auf einem ähnlichen Aufbau. Deshalb wird hier lediglich der Aufbau einer CD genauer betrachtet. Die wesentlichen Unterschiede zwischen den verschiedenen Formaten sind zum einem die Größe der Speicherkapazität und die folglich höhere Speicherdichte, da die Größe des Medium unverändert bleibt und zum anderen der Einsatz der unterschiedlichen Laserformen. Der Laserstrahl wird immer fokussierter.

Eine CD ist eine Scheibe mit einem Durchmesser von 12cm und einer Dicke von 1,2 mm. Diese Scheibe ist aus unterschiedlichen Schichten zusammengesetzt, der Polycarbonat-Schicht auf der die Spuren (Groove) in einem Sinusförmigenverlauf (Wobbles) aufgebracht sind. Darüber folgt die Farbmittelschicht (Dye), die Daten werden nur in der vorgegebenen Spur geschrieben (Groove). Abschließend kommt noch eine reflektierende Schicht auf die Scheibe. Die beschreibbare Schicht einer CD macht von deren Dicke nur einen Bruchteil aus. Die Daten werden dort als Pits and Lands abgelegt, wobei für das Lesen nur die Übergänge zwischen Pit und Land bzw. Land und Pit interessant sind.^[10]

Das Lesen einer CD funktioniert nach folgendem Schema. Ein Laser ist starr an einem CD-Spieler montiert und kann sich nur von innen nach außen bewegen. Die CD dreht sich in dem CD-Spieler mit einer bestimmten Geschwindigkeit. Der Laser positioniert sich nun auf die gewünschte Spur der CD und tastet die Spur mit ihren Pits und Lands ab. Das Reflektierende Licht wird von einer Photodiode aufgenommen und zur Auswertung an einen Fotodetektor weitergeleitet. Dieser erzeugt aus dem reflektierenden Licht über im CD-Spieler integrierte Bauteile die Binärdaten. Möglich wird dies durch die Veränderung der Wellenlänge durch den Unterschied von Pit und Land.

Zum Vergleich werden die Spuren der unterschiedlichen Formate der Optischen Speicherplatten dargestellt. Der Abstand zwischen den Spuren, sowie die Mindestlänge eines Pits wurde minimiert. Dieses wurde durch die immer feinere Fokussierung ermöglicht. Mit den aktuellen technischen Chancen ist es daher möglich ein Vielfaches an Informationen auf der Fläche einer herkömmlichen CD zu hinterlegen.

Optische Speicherkarten sind einer herkömmlichen Scheckkarte sehr ähnlich. Es handelt sich um eine Plastikkarte mit einem speziellen optischen Bereich zur Datenspeicherung. Diese Speicherkarte kann mit einem Laser nur einmal beschrieben werden, jedoch beliebig oft gelesen werden.^[11]

5.2 Magnetische Technologie

Einige Beispiele für magnetische Datenträger sind Magnetstreifenkarten, Magnetbänder, Disketten und Magnetplatten. Diese Datenträger verwenden zur Datenspeicherung eine magnetische Schicht, die auf flexiblen oder starren Materialen, in unterschiedlicher Art und Weise aufgebracht ist. Für die Beschichtung kommen hauptsächlich Metallpartikelbeschichtungen zum Einsatz, welche eine hohe Bitdichte ermöglichen. Die Daten werden in festen Spuren gespeichert und gelesen, der Zustand wird durch die Richtung der Magnetisierung angegeben.^[12] In diesem Kapitel wird kurz auf magnetische Datenspeicher eingegangen. Darüber hinaus wird ein tiefer Einblick in ausgewählte Magnetplatten, wie beispielsweise der Festplatte gewährt. Diese Technologien werden in der Praxis am häufigsten eingesetzt.

Eine Magnetstreifenkarte hat die Größe und die Form einer Plastikkarte. Sie ist ein kleinformatiger rechteckiger Datenträger. Auf ihr können verschiedene Daten als Schriftfelder oder in Form von Bildern vorhanden sein, die das menschliche Auge ohne technische Hilfe erfassen kann. Die maschinenlesbaren Daten stehen meist auf der Rückseite in einem durchgängigen relativ schmalen Metallstreifen. Dort werden die Daten normalerweise in 3 unabhängigen Spuren aufgezeichnet.^[12]

Die Magnetbänder bestehen aus einem dünnen Polyesterband, bei dem auf einer Seite eine magnetisierbare Schicht aufgebracht ist. Die Daten werden durch magnetisieren der einzelnen Spuren aufgezeichnet. Magnetbänder werden häufig zur Langzeitarchivierung verwendet. Die Aufzeichnungsdichte und die Länge des Bandes sind maßgeblich für die dessen Kapazität.^[13]

Die Disketten bestehen aus runden flexiblen Kunststoffplatten. Es handelt sich um Wechseldatenträger, da sie mobil und austauschbar sind. Die Kunststoffplatten sind auf beiden Seiten mit einer magnetischen Beschichtung überzogen. Die Daten werden beidseitig in Kreisspuren mit einem Schreib-/Lese-Kopf aufgezeichnet. Zum Schutz der Kunststoffplatten sind die Disketten mit einem Plastikgehäuse versehen.^[14]

Ein Magnetplattenspeicher ist ein Datenträger bei dem eine oder mehrere runde Platten auf einer gemeinsamen Achse montiert sind. Die Platten bestehen entweder aus Glassubstrat oder aus Aluminium/Magnesium mit einer beidseitig magnetisierbaren Beschichtung auf der die Daten aufgezeichnet werden können.

Eine Festplatte besitzt zwischen einer und zwölf Platten die beidseitig mit einer magnetischen Beschichtung versehen sind. Diese werden wiederrum durch einen dünnen Überzug aus Kohlenstoff geschützt. Die einzelnen Platten werden an einer gemeinsamen Achse aufgehängt und durch einen Elektromotor angetrieben, der die Platten auf bis zu 15000 U/min beschleunigt. Auf den Platten werden die Daten in Spuren und Sektoren gespeichert. Wie bei Disketten auch kann bei der Festplatte jeder beliebige Punkt auf der Platte direkt angesteuert werden. Es lassen sich, aber nur Sektoren addressieren, die meist eine vom Hersteller bestimmte Größe besitzen. Die Schreib-Lese-Köpfe werden an einem gemeinsamen Arm aufgehängt und können so gleichzeitig auf jede beliebige Position gesetzt werden. Die Köpfe fahren zwischen den Platten mit einem Abstand von 10-15 Nanometer. Jede Plattenseite besitzt einen eigenen Schreib-Lese-Kopf. Da die Köpfe sehr nah an den Platten liegen und zusätzlich hohe Umdrehungsgeschwindigkeiten erreicht werden, müssen die Platten und die Köpfe durch ein staubdichtes, aber nicht luftdichtes Gehäuse geschützt werden. An diesem befindet sich die Stromversorgung und je nach Festplattentyp auch die Schnittstelle (IDE, SCSI, USB usw.). Des Weiteren besitzen Festplatten einen zusätzlichen Cache, um mehrere aneinander hängende Daten zwischen speichern zu können. Dies kann die Performance einer Festplatte steigern..^[17]

Beim Schreiben auf eine Festplatte erhält diese Daten über eine Schnittstelle vom Rechner. In der Festplatte wird vom internen Speichermanagement ein Speicherort festgelegt. Dann wird der entsprechende Schreib-/Lese-Kopf an die entsprechende Position gefahren und magnetisiert. Dies hat zur Folge, dass die ungeordneten Magnetpartikel, entsprechend der zu speichernden Daten angeordnet werden. Dabei bewegt sich die Platte weiter, so dass immer weitere Partikel magnetisiert werden. Dies geschieht solange bis alle Daten entsprechend abgelegt sind. Beim Lesen von Daten auf einer Festplatte wird mit dem Lese-Kopf die entsprechende Magnetisierung jedes einzelnen Partikels erfasst und umgewandelt in 1 oder 0 und über die Schnittstelle an den Rechner weitergereicht.

Die Entwicklung der Festplattenspeicher ist ein innovativer Prozess mit dem Ziel immer mehr Daten auf Festplatte gleicher Baugrößen zu speichern oder kleinere Bauformen herzustellen, die immer Leistungsfähiger werden. Dementsprechend wird versucht immer kleinere und dichtere Bereiche zu magnetisieren. (siehe Abbildung 16)

5.3 Halbleitertechnologien

Halbleiter sind chemische Elemente die Strom entweder leiten oder nicht leiten können. Solche Speicher basieren auf elektronische Kippschaltungen, die einen oder zwei stabile Zustände haben. Solche Kippschaltungen genannt Flipflop können die binären Zustände 0 und 1 repräsentieren. Die Flipflop Schaltung lässt sich relativ elementar mit Transistoren und Kondensatoren erstellen. Es existieren Speicherbausteine die bereits Millionen von diesen Schaltungen integriert haben, so genannte IC (Integrated circuit). Die Zustände sind abhängig vom Eingangssignal. Die Ausgangssignale sind solange stabil, wie sich die Eingangssignale nicht ändern. Je nach Konzeption des Halbleiterspeichers können diese statische, dynamische, flüchtige und nicht flüchtige Eigenschaften besitzen. Zu den Halbleiterspeichern zählt vor allem der interne Speicher eines Rechners, dem Arbeitsspeicher oder Hauptspeicher.^[19] Im Weiteren werden die Halbleiterspeicher ROM, DDR-SDRAM und Flash genauer betrachtet.

ROM (Read-Only-Memory), gelegentlich als Festwertspeicher bezeichnet, ist ein Speicher, der nur lesbar und nicht flüchtig ist. Der Speicher behält seine Daten im stromlosen Zustand. Ursprünglich sind ROMs bei der Fertigung „festverdrahtet“ worden. Diese Verdrahtung ist mit einer „Maske“ direkt auf den rohen Chip auf belichtet. Aufgrund der Kostenintensivität sind Speicherbausteine entwickelt worden, die auch nach der eigentlichen Produktion mit Informationen ausgestattet werden können.^[21]

Diese Grafik zeigt eine exemplarische ROM Schaltung, die Dioden stellen das High-Bit dar. Es werden Dioden zur Verbindung der Leitungen verwendet, um eine Kurzschluss-Gefahr durch die Pull-Down-Widerstände zu vermeiden.

Die Bezeichnung DDR-SDRAM steht für Double Data Rate Synchronous Random Access Memory. Die Daten werden durch Kippschaltungen gespeichert. Dazu weren als elektronische Bauteile Transistoren und Kondensatoren eingesetzt. Die Daten werden als Zeilen und Spalten angeordnet. Damit die Daten nicht verloren gehen, werden sie nach einer gewissen Zeit (ca. 2-16ms) erneuert. Der Zugriff auf die Daten geschieht wahlfrei, es kann jede beliebige Speicherzelle direkt angesprochen werden. DDR-SDRAM entspricht in seiner Funktionalität dem Standard SDRAM, jedoch mit einer kleinen Modifikation. Bei der Übertragung der Daten wird sowohl die ansteigende Flanke, als auch die abfallende Flanke des Taktsignals genutzt. Folgerichtig ergibt sich rein rechnerisch eine Verdopplung der Geschwindigkeit. Da der Aufbau eines DDR-SDRAM ähnlich den eines SDRAM (siehe Abbildung 18) ist wird weiter auf den SDRAM verwiesen.

Die Speicherzellen sind matrixförmig angeordnet. Pro Spalte gibt es einen Schreib-/Leseverstärker. Die Adressierung beginnt mit der Zeilenadresse. Erst nach dem Auslesen folgt die Spaltenadresse. Ein Decoder sorgt für die richtige Auswahl der Daten. Die Daten stehen nach Ablauf am Ausgang bereit. Pro Adressierungsvorgang wandern die Daten von mehreren Spalten aus dem Schreib-/Leseverstärker in den Puffer. Vom Puffer werden die Daten dann bitweise an die externen Anschlüsse des Chips weitergeleitet. Intern besteht der SDRAM aus zwei Speicherbänken. Der Zugriff erfolgt abwechselnd.^[22]

Der Flash-Speicher ist ein digitaler Speicherchip ähnlich einem EEPROM (Electrical Erasable and Programmable Read-Only Memory). Der Unterschied ist die kleinsten Speichereinheiten lassen sich nicht einzeln löschen. Die Daten können allerdings, wie bei einer Festplatte gleichzeitig in Datenblöcken zu 64, 128, 256, 1024, ... Byte geschrieben und gelöscht werden. Die Daten bleiben beim Entfernen der Versorgungsspannung erhalten. Flash Speicher haben, wie alle anderen Halbleiter, keine bewegliche Bauteile. Ein auf Flash-Speichern basierter Computer bräuchte nicht mehr booten, sondern wäre theoretisch sofort einsatzfähig.^[23]

Die Speicherzelle eines Flash-Speichers ist einem Feldeffekttransistor (FET) sehr ähnlich. Im Gate ist jedoch eine Ladungsfalle, dem Floating Gate enthalten, eine elektrisch isolierte Halbleiterschicht. Das Floating Gate speichert die Ladung wie ein Kondensator. Es ist gegen die Anschlüsse Drain, Source und Control Gate mit einer Oxidschicht isoliert, diese verhindert das Abfließen der Ladung. Im spannungslosen Zustand bleibt die Ladung über viele Jahre erhalten. Beim Löschvorgang springt die Ladung in einem Blitz (Flash) auf das Floating Gate über. Es wird aufgeladen. Der Stromfluss zwischen Source und Drain wird abgeschnürt. Der Transistor wird in den Null-Zustand versetzt. Zum Lesen der Speicherzelle wird Spannung an den Transistor gelegt, um den Strom, zwischen Drain und Source zu messen. Bei entladenem Floating Gate ist der Zustand des Transistors 1.^[23]

6 Nanotechnologie

Die Nanotechnologie öffnet die Tür in die Welt der allerkleinsten Dinge denn sie beschäftigt sich mit der Forschung und Konstruktion in sehr kleinen Strukturen. So entspricht ein Nanometer einem millionstel Millimeter. Nano (griech: Zwerg) begreift die Forschung in der belebten und unbelebten Natur. Die neue Technologie ist vielfältig einsetzbar und findet bereits heute ihre Anwendung in der Energietechnik, Umwelttechnik, Informationstechnik und im Gesundheitsbereich. Nanotechnologie ist ein Oberbegriff für unterschiedlichste Arten der Analyse und Bearbeitung von Materialien in Größendimension von ein bis einhundert Nanometer. Die Nanotechnologie nutzt die besonderen Eigenschaften, die für viele Nanostrukturen charakteristisch sind. Die mechanischen, optischen, magnetischen, elektrischen und chemischen Eigenschaften dieser kleinsten Strukturen hängen nicht allein von der Art des Ausgangsmaterials ab, sondern in besonderer Weise von ihrer Größe und Gestalt. Voraussetzung für die Nanotechnologie ist die Entdeckung der Arbeitsmöglichkeiten mit einzelnen Bausteinen der Materie sowie das damit zunehmende Verständnis der Selbstorganisation dieser Bausteine.^[24]

6.1 Besonderheiten

In den nächsten Jahren wird die Nanotechnologie die Einführung neuartiger Materialien und Techniken in das tägliche Leben bringen. Hauptziel bei dieser Einführung ist, neue nanoelektronische und nanomechanische Elemente zu schaffen, sie zu vernetzen und kostengünstig herzustellen.

Die Nanotechnologie schafft in der näheren Zukunft die Möglichkeit, mit den Materialien auf der Atomebene zu arbeiten, sprich die großen Moleküle gezielt Atom für Atom zusammenzusetzen. Die besondere Anwendung findet die Nanotechnologie in der Mikroelektronik, wo der Sprung zur nächsten technologischen Generation notwendig ist.

Die Leistungsfähigkeit der in der Computer-Industrie eingesetzten Halbleiter-Elemente wächst entsprechend einer frühen Vorhersage von Gordon E. Moore aus den sechziger Jahren exponentiell. ^[25]

Gordon Moore, der Gründer des Chip-Konzerns Intel, hat den Grundsatz aufgestellt, nach dem sich bei sinkenden Herstellungskosten die Leistung eines Prozessors alle zwei Jahre verdoppelt. Dafür wird auf einem Chip die doppelte Anzahl an Transistoren verbaut. Bis heute gibt das Mooresche Gesetz nicht nur der Herstellung von Mikroprozessoren, sondern der gesamten Computer-Industrie seinen Takt vor. Trotz steigender technischer Herausforderungen ist das Mooresche Gesetz seitdem gültig geblieben. Allerdings mehren sich die Stimmen, die eine eventuelle Verlangsamung in der Integrationsdichte in naher Zukunft erwarten. Zum einen würde eine technische Grenze erreicht, wenn ein Transistor die Ausdehnung weniger Atome erreichen könnte. Zum anderen würde der finanzielle Aufwand für die Entwicklung und Herstellung integrierter Schaltkreise schneller wachen als die Integrationsdichte, so dass es einen Punkt geben könnte, an dem die Investitionen sich nicht mehr rentieren

Nach Prognosen der SIA (Semiconductor Industry Association) werden im Jahre 2011 Strukturgrößen von 40 nm routinemäßig erzeugt werden können. Dies wird die Integration von mehr als 20 Millionen Logik-Elementen auf einem einzelnen Chip ermöglichen.

6.2 Anwendungsfelder

Neben der Computer–Industrie erarbeitet die Nanotechnologie die Grundlagen für die weiteren Industriebranchen wie Chemie, Pharma, Automobilbau, Informationstechnik oder Optik. Die neuen Technologien ermöglichen die Eingriffe in einen Bereich, wo die neuen Eigenschaften von Stoffen und Werkstoffen entdeckt werden können. Dazu gehören z.B. deutlich höhere Härte, Bruchfestigkeit und - zähigkeit bei niedrigen Temperaturen sowie Superplastizität bei hohen Temperaturen, die Ausbildung zusätzlicher elektronischer Zustände, hohe chemische Selektivität der Oberflächenstrukturen und eine deutlich vergrößerte Oberflächenenergie. Durch den kontrollierten Aufbau mikroskopischer Körper aus atomaren und molekularen Bausteinen lassen sich deren Eigenschaften gezielt einstellen. ^[26]

Die Nanotechnologie befindet sich im Bereich Oberflächenfunktionalisierung und -veredelung bereits in einem relativ fortgeschrittenen Stadium. Zum Teil sind die Nanotechnologien in der Industrie eingesetzt, z.B. bei der Sonnenschutzverglasung, Antireflexbeschichtung, Entwicklung neuer Lacken.^[26] Zum anderen finden die Nanotechnologien breiteres Anwendungsspektrum in der chemischen Industrie. Sie dienen für die Entwicklung der neuen Katalysatoren, z.B. Gold-Nanopartikel. In der organischen Chemie lässt der Einsatz der neuen Technologien die Abwasseraufbereitung, Schadstoffbeseitigung und Nebenproduktabtrennung deutlich verbessern.

Mit dem Einsatz der Nanotechnologie kann die Effizienz der Energieumwandlung erhöht werden. Ein Schwerpunkt ist die Verbesserung der Materialien, z.B. Brennstoffzellen. Ein weiterer wichtiger Punkt ist die verlustarme Speicherung von Energie.

Entscheidende Materialeigenschaften (Härte, Verschleißfestigkeit etc.) können durch die Einführung charakteristischer Strukturgrößen im Nanometerbereich gezielt verbessert werden, z.B. mechanische Eigenschaften der Metalle. Durch Beimischen von Nano-Zusatzstoffen können die Eigenschaften der Baustoffe verbessert werden, wie etwa Hochleistungsbetone mit höheren Druckfestigkeiten bei verbessertem Verschleiß- und Erosionswiderstand.^[26]

Durch den Einsalz der Nanotechnologie werden außerdem Verbesserungen bei medizinischer Diagnose und Therapie, Leistungssteigerungen beim Men¬schen erwartet. Ein wesentliches Anwendungspotenzial der Nanotechnologie liegt im kontrollierten und zielorientierten Transport von medizinisch wirksamen Stoffen mit dem Ziel, diese vor frühzeitigem Abbau zu schützen und selektiv in bestimmte Zellen einzubringen (u.a. Einsatzmöglichkeiten in der Tumordiagnostik und als Anti-Tumor-Therapeutika).

Die wichtigsten Anwendungsgebiete der Nanoelektronik im Bereich der Informationsverarbeitung und -übermiittlung sind elektronische und optische/optoelektronische Bauelemente. Die technisch beherrschte Größenordnung von Logik- und Speicherbausteinen in der heute dominierenden CMOS-Technik verschiebt sich zunehmend in die Nanometerdimension (Quantenpunkte, Kohlenstoff-Nanoröhren). In der molekularen Elektronik lassen sich mit Hilfe der Nanotechnologie elektronische Bauelemente mit neuen Eigenschaften auf atomarer Ebene zusammensetzen, mit Vorteilen u.a. in einer potenziell hohen Packungsdichte.

6.3 Forschungsbereiche

Der Anspruch auf neuere schnellere Bauelemente transformiert die Mikroelektronik in die Nanoelektronik. Die Nanoelektronik beschäftigt sich mit den integrierten Schaltkreisen, deren Strukturbreiten unter 100 nm liegen. Der Schwerpunkt liegt hier vor allem in der Einwicklung der neun Chips. Neben der Entwicklung der Prozessoren spielen die neuen Technologien eine zunehmende Rolle in der Speicherentwicklung.

6.3.1 MRAM

Die heute aktuelle Speicherchips wie DRAM und SRAM haben einen entscheidenden Nachteil: Bei Unterbrechung der Stromversorgung gehen die darauf gespeicherten Informationen unwiderruflich verloren. Die andere Speicherungsmethode hat MRAM (Magnetic Random Access Memory). In einem MRAM wird die digitale Information nicht in Form elektrischer Ladungen gespeichert, sondern über die Richtung der Magnetisierung in magnetischen Speicherzellen. Die neueste Generation der MRAMs basiert auf dem so genannten Spin-Torque-Effekt.

Er erlaubt die Richtung der Magnetisierung der Speicherzelle - und damit die Information "1" oder "0" - durch einen positiven oder negativen Strompuls durch die Zelle einzustellen und so den Speicher zu programmieren. Spin-Torque-MRAM ermöglicht eine sehr hohe Speicherdichte. Ein Strompuls durch eine Spin-Torque-Speicherzelle bewirkt eine Kreiselbewegung der Magnetisierung, die sogenannte Präzession. Zum zuverlässigen Umschalten der Magnetisierung - und damit zum Programmieren des magnetischen Bit - mussten bislang stets mehrere dieser Präzessionsumdrehungen durchlaufen werden. Entsprechend dauert die Programmierung eines magnetischen Bit in einem heutigen MRAM-Prototyp etwa 10 ns.^[27]

6.3.2 FRAM

FRAM oder FeRAM bedeutet Ferroelectric Random Access Memory. Der Speicher- und Löschvorgang wird durch eine Polarisationsänderung in einer ferroelektrischen Schicht realisiert. Eine Variante davon ist PFRAM (Polymer Ferroelectric RAM), das eine dünne Schicht aus ferroelektrischem Polymer zwischen zwei Metalllegierungen polarisiert. Ferroelektrische Materialien sind durch ein elektrisches Feld polarisierbar. Ein von außen angelegtes elektrisches Feld beeinflusst die Ausrichtung der molekularen elektrischen Dipole einer FRAM-Speicherzelle. Beim Beschreiben einer Zelle werden die Atome durch das Anlegen des elektrischen Feldes in einen veränderbaren elektrischen Polarisationszustand gebracht. Nach dem Abschalten des elektrischen Feldes bleibt der eingestellte Zustand erhalten. Auch das Auslesen des Zellenzustands erfolgt durch das Anlegen eines elektrischen Feldes. Wenn ein Polarisationswechsel hervorgerufen wurde, ändert sich die Stärke des Stroms, der durch die Zelle fließt.^[28] FRAM-Zellen werden zur Zeit in drei Linien entwickelt, die sich im Ferroelektrikum unterscheiden: Blei-Zirkonium-Titanat-FRAM (PZT), Strontium-Wismut-Tantalat-FRAM (SBT) und Polymer-FRAM (PFRAM).^[28] Die Fa. Ramtron verspricht für PZT-FRAM 1016 Schreib-/Lese-Zyklen.

In kleinen Mengen wird FRAM schon seit Jahren produziert. FRAM kann als Ersatz für EEPROMs, Flash-EPROMs und gepufferte SRAMs verwendet. Der Vorteil gegen den genannten Speichertypen sind das geringere Stromverbrauch und schnelle Speicher- und Lesezyklus.

6.3.3 Holografische Speicher

Die weiteren Möglichkeiten bittet die Nanotechnologie in der Beschreibung der tragbaren Medien. Hier können die Informationen nicht nur in einer Schicht oder wie bei der DVD zwei Schichten, sondern dreidimensional im Material verteilt. Bei der Entwicklung der holografischen Speicher wie bei anderen beschriebenen Speichertypen spielen die Eigenschaften der Materialien die entscheidende Rolle. Vielversprechend scheinen Medien aus Glas mit winzigen Löchern, die mit Acryl gefüllt sind. Vorteil von Glas ist eine hohe Volumenstabilität, da Polymermaterialien bei der Bearbeitung schrumpfen und das Hologramm verfälschen können. Acrylgefülltes Glas schrumpft kaum und ist damit deutlich stabiler als Polymere. Hinzu kommt, dass Glas eine dickere Speicherschicht als Polymer zulässt, womit ein größeres holografisches Speichervolumen bereit stünde(10). Die Materialien mit solchen Eigenschaften sind sehr teuer und empfindlich. Bei einfachen Prototypen werden Daten bei mehrfachem Lesen zerstört. Dies versucht man mit zweifarbigem Laserlicht und geeignet dotiertem Lithium-Niobat zu vermeiden. Mit einer Laserlichtfarbe wird das Material aktiviert und dann mit der anderen Farbe beschrieben und später gelesen. Zum Scheiben muss das Material lichtempfindlich sein, beim Lesen darf dies aber nicht mehr der Fall sein. Die meisten bislang vorgeschlagenen holografischen Speicher sind deshalb nur einmal beschreibbar. Sie eignen sich damit vor allem zum Archivieren, was aber ihrer Verwendung in Digitalen Medien nicht entgegensieht.^[29]

6.3.4 OUM

Beim OUM (Ovonic Unified Memory) besteht das Speichermedium aus einer Legierung, die in zwei stabilen Phasen existiert. Diese beiden Zustände, kristallinen und amorphen, können „0“ und „1“ darstellen. Der Zustand einer Speicherzelle wird durch das Anlegen einer Spannung verändert. Der Zustandswechsel erfolgt schneller als beim Flashspeicher und es reicht dafür eine Spannung von einem Volt aus. Als Speicherelemente werden platzsparend ausschließlich Dioden verwendet. Beim Schreiben wird die speichernde Schicht kurzzeitig über den Schmelzpunkt in den amorphen Zustand oder durch langsames Erhitzen bis unterhalb des Schmelzpunktes in den polykristallinen Zustand gebracht. Beim Auslesen ist der gespeicherte Zustand durch eine Messung des elektrischen Widerstands möglich. Da die Umwandlung in die andere Phase Energie erfordert, ist der Datenerhalt gesichert. OUM hat in Labormessungen bereits 10 3 Schreib-Lese-Zyklen erreicht.^[28]

6.3.5 Nanotube RAM

Kohlenstoffnanorohren auch CNT (Carbon Nanotubes) sind kleine röhrenförmige Gebilde (molekulare Nanoröhren) aus Kohlenstoff. Ihre Wände bestehen nur aus Kohlenstoff, wobei die Kohlenstoffatome eine Struktur mit Sechsecken und jeweils drei Bindungspartnern einnehmen. Der Durchmesser der Rohren liegt meistens im Bereich von 1 bis 50 nm, aber es wurden auch Röhren mit nur 0.4 nm Durchmesser hergestellt. Die Nanoröhren entstehen bei der katalytischen Zersetzung von Kohlenwasserstoffen.^[30] Je nach Detail der Struktur ist die elektrische Leitfähigkeit innerhalb der Röhre metallisch oder halbleitend. Im Unterschied zu den Halbleitern sind die Kohlenstoffröhren bei tiefen Temperaturen supraleitend. Es wurden bereits Transistoren und einfache Schallungen mit den Kohlenstoffnanoröhren hergestellt. Die Forschung sucht nun nach Möglichkeiten komplexe Schaltkreise aus verschiedenen Kohlenstoffnanoröhren gezielt herzustellen. Da CNTs auch Halbleiter sein können, lassen sich aus ihnen hervorragende Transistoren fertigen, die höhere Spannungen und Temperaturen - und damit höhere Taktfrequenzen - als Siliciumtransistoren aushalten.^[30]

7 Roadmaps ausgewählter Marktteilnehmer

Das Gremium der weltweiten Halbleiterindustrie prognostiziert weitere Folgen des mooreschen Geseztes.

Im letzten Bericht „International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS)“ 2007 wurde die weitere Entwicklung in der Produktion der Microchips beschrieben. Die folgenden Tabellen veranschaulichen den Trend in Zahlen:

7.1 IBM

Vor zwei Jahren hat Chiphersteller IBM hat erst eine neue Technologie für eDRAM (Embedded DRAM) vorgestellt. Sie wurde unter Einsatz des SOI-Verfahrens (Silicon-on-Insulator) von IBM entwickelt und soll die Mikroprozessorleistung in Multicore-Designs dramatisch verbessern.

SOI ist eine Herstellungstechnologie für Schaltkreise aus Silizium-Transistoren. Diese befinden sich auf einem isolierenden Material, wodurch sich kürzere Schaltzeiten und geringere Leistungsaufnahmen, besonders bezüglich der Leckströme, ergeben.Im Gegensatz zu gewöhnlichen Transistoren, die direkt auf dem Silizium-Wafer gefertigt werden, haben die Transistoren auf einer Isolatorschicht eine geringere Kapazität, so dass die bis zum Schalten benötigten Ladungen verringert werden. Durch die so verringerten Schaltzeiten werden höhere Taktraten ermöglicht. Gleichzeitig wird so die Leistungsaufnahme verringert, wodurch sich auch eine geringere Verlustleistung ergibt, was beispielsweise einen Betrieb mit schwächerer und damit leiserer Kühlung möglich macht. Ein weiterer Vorteil der SOI-Technik ist eine geringere Empfindlichkeit gegenüber ionisierender Strahlung.^[32]

Der Cu-45HP ASIC ist das erste Produkt einer neuen Generation von eDRAM, der in SOI Technologie implementiert ist.^[33] ASICs (Application Specific Integrated Circuits) sind spezialisierte Halbleiter, die dafür entwickelt wurden, es Unternehmen zu ermöglichen, ihre Produkte in Branchen wie beispielsweise Verbraucherelektronik, Netzwerkgeräten, Speicheranwendungen, Raumfahrt, Verteidigung und bildintensiven Multimedia-Anwendungen besser zu differenzieren. Ein Beispiel für einen ASIC ist ein Chip, der speziell für den Gebrauch in Mobiltelefonen entwickelt wurde.^[33] Die SOI-Technologie bietet bis zu 30 Prozent Leistungssteigerung im Vergleich zu Standard-CMOS-Technologie. IBMs neue 45 nm eDRAM-Technologie, die in SOI implementiert wird, kann die On-Processor-Leistung signifikant erhöhen. Dabei benötigt sie rund zwei Drittel weniger Platz und nur ein Fünftel des Standby-Verbrauchs eines konventionellen SRAMs (Static Random Access Memory). ^[33]

7.2 Samsung Elektronics

Ab Juni 2009 beginnt der Chiphersteller Samsung mit der Massenproduktion des neuen Speicher PRAM(auch als PCRAM, OUM bekannt). Phase Change Random Access Memory (PRAM) wird als möglicher Nachfolger für DRAM gesehen. Der neue Speicher soll zehnmal mehr Lese- und Speicherzyklen aushalten und dabei bis zu 30-mal schneller arbeiten. Wie bereits oben beschrieben werden Daten bei PRAM gespeichert, indem das Material der Speicherstellen seinen Zustand durch Wärme zwischen kristallin oder amorph (nicht kristallin) wechselt. Für den Erhalt der Daten ist keine Spannung notwendig. Sofern die Performance und das Preis-Leistungsverhältnis stimmen, dann könnte sich der PRAM zu einer echten Alternative entwickeln zum derzeitigen DDR3-RAM. Samsung spricht über 20 Prozent geringer Herstellungkosten, da die besondere Produktionstechnologie benutzt wird.

8 Wirtschaftlichkeit

Das wirtschaftliche Potenzial der Nanotechnologie ist sehr groß. Schon in wenigen Jahren werden Nanotechnologien zahlreiche Lebensbereiche berühren. Die Nanotechnik soll zu zahlreichen neuen Produkten führen.

Dazu gehören die leistungsfähigeren Speicherchips. "Jetzt ist ein goldrichtiger Zeitpunkt, um in die Nanotechnologie zu investieren", meint Berndt Samsinger, Leiter der Nanotechnologie-Gruppe im Capital-Stage-Konzern. Zahlreiche Innovationen kämen derzeit ins Stadium kommerzieller Anwendungen, viele Basispatente seien bereits vergeben.

Durch Innovationen in zahlreichen Anwendungsfeldern wird der Nanotechnologie ein erhebliches wirtschaftliches Potenzial zugeschrieben. Bereits heute befassen sich in Deutschland ca. 600 Unternehmen mit kommerziellen Anwendungen der Nanotechnologie. ^[34] Der Markt der Nanotechnologie ist sehr groß und wächst stark weiter.

Hersteller versuchen einen eigenen Weg zum Erfolg zu finden. Die Investitionen in der Entwicklung sind kostenintensiv und fordern die Entwicklung der verwandten Branchen. Für die Microelektronik bzw. Nanoelektronik benötigen die Hersteller die reinen Stoffe, die speziellen Anforderungen entsprechen. Die Studie stellt nur einige Methoden von den möglichen Richtungen der zukünftigen Entwicklungen in der Speichern dar: magnetische, elektrische, optische, mechanische und eine neue Stoff, die dank der Nanotechnologie erfunden wurden. Innerhalb der Analyse der Speicherentwicklung wurden viele Projekte untersucht, die leider keine Zukunft haben. Das zeigt, dass die Hersteller keine einheitliche Lösung haben und versuchen neue Wege in dieser Branche zu finden. Eindeutig ist das, dass die die technologische Grenze mit der aktuellen Technologie bereits erreicht und die Welt braucht in den nächsten Jahren etwas fundamental neue Technologien. Die Kräfte und Investitionen zu konsolidieren, können die Verbände der Hersteller mit der Staatsunterstützung als mögliche Lösungen für die effektive Weiterentwicklung dienen. Solche Wirtschafts- und Wissenschaftspolitik verfolgt IBM mit ihren Partnern in den letzten Jahren sehr effektiv.

9 Schlussbetrachtung

Diese Fallstudie definiert und erläutert die Begriffe Speicherentwicklung und Nanotechnologie. Die Historie der Speicherentwicklung verdeutlicht ihren innovativen Prozess. Die Entwicklungen der magnetischen, optischen und elektrischen Speichermedien zielen auf das Miniaturisieren der Speicherfläche und gleichzeitig auf die Maximierung der Speicherkapazität und gelangen somit in den Bereich der Nanotechnologie. Die Nanotechnologie wird in naher Zukunft die Möglichkeit bieten auf atomarer Ebene zu arbeiten. Die Darstellung der unterschiedlichen Arten für Speicher in der Nanotechnologie zeigt interessante Ansätze von Nanospeichern.

Die Speicherentwicklung steht im besonderen Focus der unterschiedlichen Hersteller. Die Untersuchung der Roadmaps ausgewählten Markteilnehmer bestätigt, dass diese den Einsatz von Nanospeichern einplanen und exponentiell darauf ausgerichtet sind.

Eine Wirtschaftlichkeitsanalyse der Nanospeicher, mit der Gegenüberstellung der Vor- und Nachteilen, sowie der Chancen und Risiken zeigt, dass einige Hersteller die Forschungen in diesem Bereich aufgrund des fehlenden ROI eingestellt haben. Darüberhinaus sind die Menschen über das Wesen der Nanotechnologie nicht vollumfassend informiert und zeigen daher eine kritische Grundeinstellung. Dennoch sehen die Forscher, Hersteller und andere Markteilnehmer die Nanotechnologie als wichtigsten Forschungsbereich der nahen Zukunft, sowie der nächsten 10-15 Jahre.

Diese Fallstudie vermittelt dem Leser einen umfassenden Einblick in die Speicherentwicklung und insbesondere in den Bereich der Nanotechnologie, sowie deren unterschiedliche Strategien und Techniken einiger namhafter Hersteller. Darüber betrachtet die Fallstudie den Markt der Nanotechnologie und das zukünftige Potenzial der unterschiedlichen Marktteilnehmer. Folglich sollte die Nanotechnologie weiter beobachtet werden. Sie wird in naher Zukunft eine interessante und nicht zu unterschätzende Alternative zu den herkömmlichen Techniken der Speicherung von Daten sein.

10 Fußnoten

1. ↑ ^{1,0 1,1} Vgl. Hansen, Neumann (2001) S.660
2. ↑ Vgl. Hansen, Neumann (2001) S.701
3. ↑ ^{3,0 3,1} Vgl. Gerecke (2008)
4. ↑ ^{4,0 4,1} Vgl. Bellis (o.J.)
5. ↑ Vgl. Hering (2000) S.68
6. ↑ Vgl. Hering (2000) S.71
7. ↑ ^{7,0 7,1} Vgl. Hansen, Neumann (2001) S.768
8. ↑ ^{8,0 8,1 8,2} Gieselmann (o.J.)
9. ↑ Vgl. Hansen, Neumann (2001) S.770
10. ↑ Vgl. Hansen, Neumann (2001) S.772
11. ↑ Vgl. Hansen, Neumann (2001) S.793
12. ↑ ^{12,0 12,1} Vgl. Hansen, Neumann (2001) S.718
13. ↑ Vgl. Gerecke (2008) S.126
14. ↑ Vgl. Gerecke (2008) S.127
15. ↑ Schulze (2001)
16. ↑ Hufenbach (2003)
17. ↑ Vgl. Gerecke (2008) S.128ff
18. ↑ Gerecke (2008)
19. ↑ Vgl. IT-Wissen (o.V., o.J.)
20. ↑ ^{20,0 20,1 20,2 20,3} EE-Kompendium (o.V., o.J.)
21. ↑ Vgl. EE-Kompendium (o.V, o.J) S.ROM
22. ↑ Vgl. EE-Kompendium (o.V, o.J) S.SDRAM
23. ↑ ^{23,0 23,1} Vgl. EE-Kompendium (o.V, o.J) S.Flash Speicher
24. ↑ Vgl. BMBF, Hightech-Strategie (2009)
25. ↑ Vgl. Rubahn (2004)
26. ↑ ^{26,0 26,1 26,2} Vgl. Paschen (2004)
27. ↑ Vgl. Scinexx (2008)
28. ↑ ^{28,0 28,1 28,2} Vgl. Würst (2008)
29. ↑ Vgl. Reisig, Freytag (2006)
30. ↑ ^{30,0 30,1} Vgl. Sepeur (2008)
31. ↑ ^{31,0 31,1 31,2} ITRS Edition 2007
32. ↑ Vgl. ComputerBase-Lexikon (2009)
33. ↑ ^{33,0 33,1 33,2} Vgl. McConnel (2007)
34. ↑ Vgl. BMBF, Nanotechnologie (2009)

11 Literatur- und Quellenverzeichnis

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