Hitze & RAM: Wärmeentwicklung wird bei Speicher-Chips zum Problem

Wie Menschen macht Hitze auch Halbleitern zu schaffen - RAM wird vergesslich. Sinkende Strukturgrößen verschärfen das Problem.

Artikel veröffentlicht am , Johannes Hiltscher
Schön kühl hält sich Speicher am besten.
Schön kühl hält sich Speicher am besten. (Bild: Pixabay, Kingston (Montage: Golem.de))

Wird es warm, steigt die elektrische Leitfähigkeit, im Silizium eines Halbleiters fließt bei gleicher Spannung mehr Strom. Was erst einmal gut klingt, wird speziell für dynamischen RAM (DRAM) zum Problem. Die Folgen und mögliche Gegenmaßnahmen beleuchtet ein Artikel von Semiconductor Engineering.

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Wird es im DRAM-Speicher zu warm, steigt die Wahrscheinlichkeit von Datenverlusten. Der Grund dafür ist der Aufbau der Speicherzellen: Sie bestehen aus je einem Kondensator und Transistor. Um ein Bit zu speichern, wird der Kondensator ge- oder entladen - je nachdem, ob eine 1 oder 0 abgelegt wird. Zum Auslesen schaltet der Transistor den Kondensator auf eine Leitung, seine Spannung wird verstärkt und ausgegeben.

Dabei wird der Kondensator entladen, der gelesene Wert muss neu geschrieben werden. Allerdings verliert der Kondensator aufgrund von Leckströmen auch bei sperrendem Transistor langsam seine Ladung. Daher wird er regelmäßig "aufgefrischt" - alle Daten werden ausgelesen und neu geschrieben.

Steigt die Temperatur nehmen auch die Leckströme zu, die Spannung eines Kondensators kann vor dem nächsten Auffrischen unter das 1-Niveau sinken. Besonders hoch ist die Gefahr, wenn durch häufige Zugriffe auf kleine Speicherbereiche eine lokale Erwärmung auftritt. Ähnliche, aber elektrische Effekte, nutzte der Rowhammer-Angriff aus.

Hitze immer schwieriger abzuführen

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Mit sinkenden Strukturgrößen wird das Problem größer: Durch mehr Speicherzellen entsteht pro Fläche mehr Wärmeenergie. Die vom Silizium wegzubekommen, wird komplizierter, und neue Packaging-Techniken mit mehreren Dies pro Gehäuse erhöhen die Schwierigkeit. Dann wird der RAM zusätzlich noch beispielsweise vom SoC, auf das er montiert ist, erwärmt. Speicher muss also mit höheren Temperaturen klarkommen als noch vor einigen Jahren.

Eine vermeintlich gute Lösung steht seit Jahren im Raum: Microfluidic Cooling. Dabei sollen Kühlflüssigkeiten durch winzige Kanäle im Silizium gepumpt werden. Was genial klingt, hält John Parry für keine gute Idee. Er arbeitete bei Siemens EDA (ehemals Mentor Graphics) an Lösungen zur Wärmeabfuhr und Software zur Analyse mechanischer Eigenschaften von Halbleitern. Nicht nur seien die Erosion des Siliziums oder mögliche Lecks ein Problem, die benötigte Pumpe ist mechanisch anfällig.

Es gibt einfachere Lösungen

Stattdessen gehen die Speicherhersteller andere Wege. Dem drohenden Datenverlust bei hohen Temperaturen lässt sich auf zwei Arten begegnen. Die kostspieligere Variante ist, eine Fehlerkorrektur direkt in den Speicher-Chip zu integrieren - wie bei ECC-Speichermodulen. Laut Marc Greenberg von Cadence, einem anderen Anbieter von Software zum Halbleiterentwurf, nutzen Hersteller integrierte Fehlerkorrektur für Speichermodule, die hohe Temperaturen aushalten müssen.

Im Automobilbereich beispielsweise muss manche Elektronik mit Temperaturen bis 125° C klarkommen, für Alltagselektronik sind lediglich 70° C gefordert. Der zusätzliche Hardwareaufwand für Fehlerkorrektur macht die Chips allerdings teurer.

Günstiger ist es, in Abhängigkeit von der Temperatur des Chips den Abstand zwischen zwei Auffrischzyklen anzupassen. Ist der Speicher sehr warm, wird er beispielsweise alle 32 ms neu beschrieben - normal wären 64 ms. Unter dem Namen "temperature compensated self-refresh" (TCSR) ist dies Teil des LPDDR-Speicherstandards. Während des Auffrischens ist der Speicher allerdings nicht ansprechbar, was größere Puffer erfordert - also auch etwas mehr Hardware. Darüber hinaus sinkt durch häufigere Phasen der Unerreichbarkeit die Datenrate.

Temperaturalarm und neue Materialien

Der DDR5-Standard schreibt zur Überwachung der Speichertemperatur erstmals die Integration eines Sensors vor. Für DDR6 deutet Bill Gervasi an, dass eine Art Alarmsignal diskutiert werde, über das der RAM dem System eine zu hohe Temperatur mitteilen kann. So könnten rechtzeitig Gegenmaßnahmen ergriffen werden, um Datenverlust durch Überhitzen zu vermeiden.

Gervasi, der als leitender Entwickler bei Nantero arbeitet, hat auch noch einen anderen Vorschlag: Einfach den nichtflüchtigen Speicher seines Unternehmens verwenden. Der basiert auf Kohlenstoff-Nanoröhren. Er muss nicht aufgefrischt werden, zudem leiten die Nanoröhren Hitze hervorragend - Gervasi kann sie sich daher auch als Komponente in normalen DRAM vorstellen.

Einen Nachteil hat Nanteros NRAM allerdings: Er wird noch immer nicht als Serienprodukt hergestellt. Fujitsu, einer der beiden Partner, führt ihn zwar bei seinen Speicherprodukten auf, einen Produktkatalog gibt es aber nicht. Beim anderen Partner, ON Semiconductor, gibt es nur die Pressemitteilung von 2006 zur Partnerschaft.

Um die Stabilität des Systems zu garantieren, wird also eher kommen, was wir von Prozessoren bereits kennen: eine automatische Leistungsdrosselung bei zu hoher Temperatur. Abhilfe schafft dann ein gut durchdachtes Kühlsystem - es muss ja nicht gleich der Kühlschrank sein.

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