Flitsende chips; Geheugenchips veroveren draagbare elektronica

De angst van de pc-gebruiker voor stroomuitval is misschien binnenkort verleden tijd. De nieuwe flits-chips van Intel zijn tot tienduizend keer wissen en schrijven gegarandeerd.

HET IS EEN KLEINE ramp die iedere pc-gebruiker weleens is overkomen. De stroom valt uit en alles wat nog niet veilig op de harde schijf staat is verdwenen. Wie echt pech heeft ziet uren noeste arbeid in luttele seconden verdampen.

Het is het werkgeheugen dat zo verdraaid vergeetachtig kan zijn. In een bureaucomputer bestaat die elektronische kladblok vrijwel altijd uit dynamic random access memories (DRAM's). Deze geheugenchips zijn vluchtig: zonder stroom verliezen ze hun gegevens. Maar zolang ze van energie worden voorzien doen ze wat iedere computeraar zeer op prijs stelt: ze zorgen ervoor dat gegevens en programma's steeds in de startblokken staan. Een werkgeheugen is voor de computeraar wat de bain-marie, de warmwaterbak, is voor de kok.

Niet voor niets stellen veel pc-gebruikers meer prijs op het comfort van veel werkgeheugen dan op meer rekenkracht. Als alles kant en klaar staat voor gebruik, hoeven ze bij het wisselen van programma's immers niet steeds te wachten tot de software van de harde schijf in het werkgeheugen is geplaatst.

In de jaren zeventig zijn er echter ook al chips ontwikkeld die harddisc en werkgeheugen combineren. Deze electrically programmable read-only memories (EPROM's) laten hun gegevens niet zomaar glippen, ook niet met de stekker uit het stopcontact. EPROM's hebben het echter nooit tot werkgeheugen gebracht. Dat komt doordat ze te veel tijd nodig hebben om hun gegevens in hun geheugen te griffen. Ook de snellere versies, de flash chips die eind jaren tachtig werden ontwikkeld, doen er altijd nog zo'n 10 tot 20 seconden over om een megabyte op te slaan. Wissen en schrijven in de geheugencellen van EPROM-chips is bovendien maar tot zo'n 100.000 keer gegarandeerd. DRAM's gaan daarentegen duizenden miljarden cycli mee.

TRAAGHEID

Er zijn echter talloze toepassingen waarin men de traagheid van flits-chips graag op de koop toe neemt. Veel gebruikers van notebook-computers en palmtops slaan hun gegevens op in de flash chips van creditcard-grote insteekkaarten.

Elektronische zakagenda's en allerlei draagbare apparatuur zoals GSM-telefoons hebben flits-chips waarin hun software permanent zit opgeslagen.

Het is lastig om flash chips te fabriceren. De opslagcapaciteit van deze geheugens loopt daarom altijd wat op DRAM's achter. Intel heeft nu een truc toegepast waarmee het gat tussen die twee in één keer is gedicht. Het bedrijf uit Santa Clara (Californië) heeft flash chips in productie genomen die in staat zijn om in elk van hun 32 miljoen geheugencellen twee bits op te slaan. Ze kunnen dus in totaal 64 miljoen bits (8 megabytes) bevatten.

Uitgedrukt in tekst is dat enkele stevige boeken. De DRAM-chips die bij Toshiba, NEC en Siemens momenteel in massaproductie gaan hebben dezelfde capaciteit. Net als Intel maakt het Japanse bedrijf Matsushita Electronic al 64 Mbit multilevel flash chips. Ook het Franse bedrijf SGS Thomson werkt aan de technologie.

De nieuwe flits-chips van Intel zijn slechts tot tienduizend keer wissen en schrijven gegarandeerd, maar het bedrijf denkt dat dat ruim voldoende is om bijvoorbeeld foto's in digitale camera's op te slaan. De technologie is niet nieuw. Intel liet in 1994 al een experimentele flits-chip zien met twee bits in één cel. Om te begrijpen hoe het werkt gaan we nog twintig jaar verder terug. Toen werden de voorlopers van flash, de eerste EPROM-geheugens, gemaakt. Deze chips zetten hun enen en nullen in de vorm van elektronen op kleine silicium-eilandjes (floating gates). Dit stukje halfgeleider is volledig door isolerend kwarts (siliciumoxide) omgeven. Wel is er een oversteekplaats, een gebiedje waar het isolerende materiaal zo dun is dat elektronen naar het eilandje kunnen overspringen, ook wel tunnelen genoemd.

Met een stroomstoot kunnen enkele tienduizenden elektronen naar het eilandje worden geparachuteerd. Uit eigen beweging kunnen ze er niet meer vanaf.

Zo is één bit op te slaan: wel of geen lading betekent 1 of 0. Beide toestanden zijn eenvoudig te detecteren door de transistor die eronder ligt.

Een bevolkt eiland zorgt voor een slechte stroomversterking in de transistor.

Met de hoeveelheid lading op het eilandje is te spelen, en dat is de sleutel tot de nieuwe flits-chips. Wie het aantal eilandbewoners goed kan doseren en detecteren kan meer dan twee niveaus (voor de 0 en de 1) - en dus meer informatie - opslaan. De nieuwe flash chips van Intel kunnen twee bits per geheugencel onthouden.

EPROM-geheugens met verschuivende ladingen zijn niet nieuw. Het idee bestaat al een paar decennia. Het bedrijf Information Storage Devices uit San Jose past de techniek al jaren toe om geluid op te nemen. Het bedrijf kan de lading op de EPROM-eilandjes van een chip met een nauwkeurigheid van 1 procent doseren. Zo kan de chip negentig seconden audio in analoge vorm opslaan. Het geluid kan via een luidspreker tevoorschijn komen door de spanning op de EPROM-cellen een voor een te meten en dit signaal te versterken. De geluidkwaliteit is vergelijkbaar met die van de telefoon. Deze chips zitten in 'pratende' Kerst- en verjaardagskaarten en onthouden de boodschap in sommige antwoordapparaten.

Maar flash heeft niet het alleenrecht op elektronen doseren. Afgelopen februari maakte het Japanse bedrijf NEC op een chipconferentie in San Francisco bekend dat het er met ladingsdosering in was geslaagd om in een experimentele DRAM-chip met 2 miljard geheugencellen in totaal 4 miljard bits (4 gigabit) op te slaan. Dat is bijna evenveel als een CD-ROM. Zulke gigabit-DRAM's zullen pas na de eeuwwisseling op de markt komen.

Door dit soort ontwikkelingen is het onwaarschijnlijk dat flits-chips ooit als werkgeheugen in bureaucomputers zullen doordringen. Eerder het omgekeerde zal gebeuren: DRAM-chips zouden in de verre toekomst wel eens draagbare elektronica kunnen gaan veroveren. De komende generaties DRAM-geheugenchips zullen echter nog vluchtig zijn. Hun geheugencellen zijn een soort lekkende emmertjes. Ze bestaan uit een condensator waarvan de landing langzaam wegsijpelt. Er treedt geheugenverlies op als er niet steeds elektronen worden bijgedruppeld.

Er staat echter een technologie op stapel waarmee DRAM's hun bits ook zonder een constante stroom elektronen kunnen vasthouden. De grote belofte zijn DRAM's met geheugenelementen van zogeheten ferro-elektrische materialen. Loodzirkoontitanaat (PZT) is er een van. In de perovskiet-structuur van PZT zit het titaanatoom niet exact in het midden van de kristal-eenheidscel. Dat heeft een niet-symmetrische ladingsverdeling en een constant elektrisch veld tot gevolg. Het aardige is dat de titaanatomen onder invloed van een uitwendig elektrisch veld in het kristal kunnen omklappen.

Daarmee verandert het veld van richting. Beide stabiele toestanden zou je elkaars 'spiegelbeeld' kunnen noemen. Het polariseerbare materiaal is dus te gebruiken voor de opslag van bits.

Ferro-elektrische RAM-geheugens met opslagdichtheden van 256 kilobit zijn er al. Siemens doet momenteel onderzoek naar ferro-elektrische-technologie voor de DRAM-generaties van 4 gigabit. Chips met deze opslagmogelijkheden zullen overigens pas in 2003 voor het eerst worden gemaakt en enkele jaren later pas betaalbaar zijn in huis-tuin-en-keuken-pc's.

Sommige computers hebben veel werkgeheugen nodig. Bijvoorbeeld werkstations die (ongecomprimeerde) digitale videobeelden kunnen bewerken. Een medewerker van het bedrijf ViewGraphics (Silicon Valley) toont een plaat met honderd DRAM-geheugenchips waarin 3 seconden hoge definitie-tv kan worden opgeslagen.