Halbleiterspeicher

Ein Halbleiterspeicher (englisch semiconductor memory) ist ein auf Grundlage von Halbleitertechnik realisierter Datenspeicher.^[1]^[2]^[3] Halbleiterspeicher werden mittels mikroelektronischer Verfahren als integrierte Schaltungen (ICs) gefertigt (umgangssprachlich auch Speicherchips genannt) oder sind als Teilfunktionalität in komplexeren ICs enthalten. Die digitalen Daten werden im Halbleiterspeicher in Form von binären Schaltzuständen gespeichert oder ausgelesen.

Speicherzellen-Technologie

Beschreibung

Eine Speicherzelle ist die physikalische Realisierung der kleinsten Einheit eines Speichers von logischen Zuständen. Der Begriff bezeichnet je nach Kontext entweder die Realisierung der kleinstmöglichen Einheit, dem 1-Bit-Speicherelement, oder die Realisierung der kleinsten adressierbaren, das heißt bei einem Zugriff les- bzw. schreibbaren, Einheit, einem sogenannten Wort oder Datenwort, das aus n Bit besteht (n > 1).

Personal Computer arbeiten heutzutage mit einer Wortlänge (auch „Wortbreite“ genannt) von 32 oder 64 Bit. Früher, zum Beispiel bei den ersten Taschenrechnern, waren Speicherzellen 4 Bit (ein Halbbyte bzw. Nibble) groß. Die ersten PCs dagegen hatten 8 Bit breite Speicherzellen. Für einfache Steuerungen (siehe: Mikrocontroller) werden auch heute noch 8 Bit verwendet.

Bei früheren Computern waren auch Wortbreiten von 6 oder 7 Bit gebräuchlich, da man mit 64 bzw. 128 speicherbaren Zeichen eine alphanumerische Bearbeitung durchführen konnte. Diese Speicher waren jedoch noch nicht als Halbleiterspeicher ausgeführt. Die Hollerith-Lochkarte hatte eine Wortbreite von 12 Bit.

Eingeteilt werden die Speicherzellen in flüchtige und nichtflüchtige Speicherzellen. In nichtflüchtigen Speicherzellen bleibt die Information auf Dauer erhalten, auch wenn die Stromversorgung unterbrochen wird. Bei flüchtigen Speicherzellen geht die Information in solch einem Fall verloren.

Realisierung

Das 1-Bit-Speicherelement ist mittels weniger Transistoren und Kondensatoren realisierbar. Bei analogen Speicherzellen ist das elementare Speicherbauteil der Kondensator, und bei digitalen Speicherzellen werden ein (1-T-DRAM) oder mehrere Transistoren benötigt, wie z. B. bei statischem RAM oder bei rückgekoppelten Transistoren, den sogenannten Flipflops.

Wahlfreier Zugriff

Speicherzellen werden in einer 2^R×2^C-Matrix angeordnet. Über Wortleitungen und Bitleitungen werden die Speicherzellen adressiert und beschrieben bzw. ausgelesen. Hierzu sind ein Reihen- und ein Spaltendekodierer notwendig. Dadurch ist ein direkter Zugriff auf beliebige Speicherzellen (wahlfreier Zugriff) möglich. Daher wird diese Anordnung als Random-Access Memory (RAM) bezeichnet.

Sequentieller Zugriff

Hier erfolgt die Adressierung über Befehle, ähnlich wie bei Festplatten. Die Bauformen CompactFlash (CF) und PCMCIA verwenden z. B. den bei Festplatten bewährten ATA/ATAPI-Befehlssatz. Diese Adressierungsart benötigt weniger Kontaktierungsflächen auf dem Chip, dadurch ist ihre Herstellung preisgünstiger.

Typen

Die bekanntesten Speichertechnologien sind im Folgenden aufgeführt, markiert mit den Merkmalen:

	in Produktion befindlich (Stand etwa 2020er Jahre)
	Produktion eingestellt bzw. durch andere Speichertechnologie abgelöst
	in Forschung und Entwicklung^[4]
Das Symbol gilt implizit für die Gruppe, es sei denn, ein Artikel ist explizit markiert.

Flüchtige Halbleiterspeicher (Volatile-Speicher)

Static RAM (SRAM)
- Asynchrones SRAM
  - Low-Power SRAM (LP-SRAM)
- Synchrones SRAM
  - Burst SRAM
    - Pipelined Burst SRAM
  - ZBT SRAM
  - QDR-SRAM
Dynamic Random Access Memory (DRAM)
- Asynchrones DRAM
  - Standardisiert
    - Fast Page Mode DRAM (FPM-DRAM)
    - BM-DRAM
    - Extended Data Output Random Access Memory (EDO-DRAM)
  - Nicht standardisiert
    - Video Random Access Memory (VRAM, WRAM)
- Synchrones DRAM (SDRAM)
  - Standardisiertes SDRAM
    - SDR-SDRAM
    - DDR-SDRAM (DDR1)
    - QDR-SDRAM (DDR2)
    - ODR-SDRAM (DDR3)
    - DDR4-SDRAM (DDR4)
    - GDDR-SDRAM (GDDR1 bis GDDRx, Grafikspeicher)
  - Nicht standardisiertes SDRAM
    - Embedded DRAM
    - Customized DRAM
    - Cache DRAM (CDRAM)
    - Enhanced DRAM (ESDRAM)
    - Virtual channel DRAM (VC DRAM)
    - Reduced latency DRAM (RLDRAM)
    - DRAM mit niedriger Leistung
      - Mobile RAM
      - COSMO-RAM
      - Pseudostatisches RAM (PSRAM)
      - Cellular RAM
    - Protokollbasierte DRAM
      - Synclink DRAM (SLDRAM)
      - Direct Rambus DRAM (DRDRAM)
      - XDR-DRAM

Nichtflüchtige Halbleiterspeicher (Nonvolatile-Speicher, NVM)

Read-Only Memory (ROM)
- Mask ROM ^1, ²
- Programmable Read-Only Memory (PROM)
  - One Time Programmable (OTP)
  - Erasable Programmable ROM (EPROM)
    - Ultra-violet erasable PROM (UV-EPROM)
    - Electrically erasable PROM (EEPROM)
Flash-Speicher^[5]
- NAND-Flash
  - Single Level Cell (SLC)
    - Standard-NAND
    - Assisted Gate AND (AG-AND)
  - Multi-Level Cell (MLC)
    - Standard-NAND
  - Multibit
    - Twin Flash (NROM)
- NOR-Flash
  - Single Level Cell (SLC)
    - Standard-NOR
  - Multi-Level Cell (MLC)
    - Strata Flash
  - Multibit
    - Mirror Bit (NROM)

---

¹

Ein PLE entspricht einem MROM und umgekehrt

²

Mikrocontroller mit MROM werden immer noch (Stand Ende 2008) in großen Stückzahlen hergestellt.

Weitere Halbleiterspeichertypen

In Produktion ():

Ferroelectric Random Access Memory (FRAM, FeRAM)

Magnetoresistive Random Access Memory (MRAM)

In Forschung und Entwicklung ():

Chalcogenide RAM (C-RAM)
Conductive Bridge RAM (CBRAM)
Memristor
Nanotube RAM (NRAM)
Organic RAM (ORAM)
Ovonic Unified Memory (OUM)
Programmable Metallization Cell (PMC)
Phase-change Random Access Memory (PCRAM)
Racetrack-Speicher

Abkürzungen und Bedeutung

Bedeutung der wichtigsten Abkürzungen
Abkürzung	Bedeutung
RAM	Random Access Memory
ROM	Read-Only Memory
SRAM	Statischer RAM
DRAM	Dynamischer RAM
PRAM	Phase-change RAM
MRAM	Magnetoresistives RAM
M…	Masken-programmierbar
P…	Programmierbar
EP…	Lösch- und programmierbar
EEP…	Elektrisch lösch- und programmierbar
SD	Synchronous Dynamic (RAM)
DDR	Double Data Rate (RAM)
QDR	Quad Data Rate (RAM)
ODR	Octo Data Rate (RAM)
GDDR	Graphics DDR (RAM)
RDRAM	Rambus DRAM
ZBT SRAM	Zero Bus Turnaround SRAM

Markt

Literatur

Wai-Kai Chen (Hrsg.): The VLSI Handbook (= The Electrical Engineering Handbook Series). 2. Auflage. CRC Press (Taylor & Francis), Boca Raton, FL 2007, ISBN 978-0-8493-4199-1 (englisch, archive.org).
Simon M. Sze, Yiming Li, Kwok K. Ng: Physics of Semiconductor Devices. 4. Auflage. Wiley, Hoboken, NJ 2021, ISBN 978-1-119-42911-1 (englisch).
Andrea Redaelli, Fabio Pellizzer (Hrsg.): Semiconductor Memories and Systems (= Woodhead Publishing Series in Electronic and Optical Materials). Woodhead Publishing, Cambridge 2022, ISBN 978-0-12-820758-1 (englisch).
Massimo Rudan, Rossella Brunetti, Susanna Reggiani (Hrsg.): Springer Handbook of Semiconductor Devices (= Springer Handbooks). Springer International Publishing, Cham 2023, ISBN 978-3-030-79826-0, doi:10.1007/978-3-030-79827-7 (englisch).

Siehe auch

Soft Error und Built-in self-test (BIST)
Parallele Datenübertragung
Serielle Datenübertragung

Einzelnachweise

↑ Shimeng Yu, Tae-Hyeon Kim: Semiconductor Memory Technologies: State-of-the-Art and Future Trends. In: Computer. Band 57, Nr. 4, April 2024, ISSN 0018-9162, S. 150–154, doi:10.1109/MC.2024.3363269 (englisch, ieee.org [abgerufen am 23. Juli 2026]).
↑ Paolo Fantini, Giorgio Servalli, Paolo Tessariol: Semiconductor Memory Technologies. In: Springer Handbook of Semiconductor Devices. Springer International Publishing, Cham 2023, ISBN 978-3-030-79826-0, S. 37–66, doi:10.1007/978-3-030-79827-7_2 (englisch, springer.com [abgerufen am 23. Juli 2026]).
↑ Ulrich Tietze, Christoph Schenk, Eberhard Gamm: Semiconductor Memories. In: Electronic Circuits. Springer Berlin Heidelberg, Berlin, Heidelberg 2008, ISBN 978-3-540-00429-5, S. 689–721, doi:10.1007/978-3-540-78655-9_10 (englisch, springer.com [abgerufen am 23. Juli 2026]).
↑ An Chen: A review of emerging non-volatile memory (NVM) technologies and applications. In: Solid-State Electronics. Band 125, November 2016, S. 25–38, doi:10.1016/j.sse.2016.07.006 (englisch, elsevier.com [abgerufen am 23. Juli 2026]).
↑ Seung Soo Kim et al.: Review of Semiconductor Flash Memory Devices for Material and Process Issues (Adv. Mater. 43/2023). In: Advanced Materials. Band 35, Nr. 43, Oktober 2023, ISSN 0935-9648, doi:10.1002/adma.202370310 (englisch, wiley.com [abgerufen am 23. Juli 2026]).

[1] Shimeng Yu, Tae-Hyeon Kim: Semiconductor Memory Technologies: State-of-the-Art and Future Trends. In: Computer. Band 57, Nr. 4, April 2024, ISSN 0018-9162, S. 150–154, doi:10.1109/MC.2024.3363269 (englisch, ieee.org [abgerufen am 23. Juli 2026]).

[2] Paolo Fantini, Giorgio Servalli, Paolo Tessariol: Semiconductor Memory Technologies. In: Springer Handbook of Semiconductor Devices. Springer International Publishing, Cham 2023, ISBN 978-3-030-79826-0, S. 37–66, doi:10.1007/978-3-030-79827-7_2 (englisch, springer.com [abgerufen am 23. Juli 2026]).

[3] Ulrich Tietze, Christoph Schenk, Eberhard Gamm: Semiconductor Memories. In: Electronic Circuits. Springer Berlin Heidelberg, Berlin, Heidelberg 2008, ISBN 978-3-540-00429-5, S. 689–721, doi:10.1007/978-3-540-78655-9_10 (englisch, springer.com [abgerufen am 23. Juli 2026]).

[4] An Chen: A review of emerging non-volatile memory (NVM) technologies and applications. In: Solid-State Electronics. Band 125, November 2016, S. 25–38, doi:10.1016/j.sse.2016.07.006 (englisch, elsevier.com [abgerufen am 23. Juli 2026]).

[5] Seung Soo Kim et al.: Review of Semiconductor Flash Memory Devices for Material and Process Issues (Adv. Mater. 43/2023). In: Advanced Materials. Band 35, Nr. 43, Oktober 2023, ISSN 0935-9648, doi:10.1002/adma.202370310 (englisch, wiley.com [abgerufen am 23. Juli 2026]).

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