So könnten MRAM-Chips das Software-Defined Car beflügeln

Das Software-Defined Car bringt zwei Dinge mit sich: die komplexere Erstellung und Pflege von Embedded-Code sowie regelmäßige Updates im Betrieb. Beides lässt sich durch MRAMs (Magnetoresistive Random Access Memory) weiter verbessern. Davon sind zumindest der taiwanische Auftragsfertiger TSMC und der niederländische Halbleiterhersteller NXP überzeugt. Gemeinsam wollen sie in der zweiten Hälfte dieses Jahrzehnts Embedded MRAM (eMRAM) in der Automobilindustrie etablieren. Vor einigen Monaten kündigten die beiden Unternehmen an, eMRAM in einem 16-Nanometer-Prozess fertigen zu wollen. Produktmuster sollen voraussichtlich Anfang 2025 an Kunden gehen, in Verbindung mit der S32-Plattform von NXP.

Für MRAM gibt es bereits Anwendungen

 Auch Samsung und Intel, beide Halbleiterhersteller und Auftragsfertiger in einem, haben unabhängig voneinander eMRAMs angekündigt – allerdings nicht explizit für den Automobilbereich. MRAM stecken heute im Cache mancher Server und in mancher Industriesteuerung. Weil sie auch energiereicher Strahlung gut widerstehen können, kommen sie zudem in der Raumfahrt zur Anwendung. Neben Intel und Samsung gibt es weitere Unternehmen, die MRAM propagieren, wenn auch nicht unbedingt als eingebetteten Speicher, und nicht unbedingt für die Automobilindustrie. Der Auftragsfertiger Global Foundries zum Beispiel arbeitet mit dem MRAM-Hersteller Everspin an entsprechenden Lösungen, auch für die Automobilindustrie.

Dass einige Chiphersteller für die Automobilbranche nun eMRAM ins Rampenlicht rücken, liegt an den perspektivischen Problemen von Embedded-Flash (eFlash), eine wichtige Speichertechnologie in aktuellen Steuergeräten. „eFlash skaliert gut bis zur 28-Nanometer-Prozesstechnologie, darunter wird es weit weniger effizient“, sagt Ed Sarrat, Leiter Produktmanagement für General Purpose Automotive MCUs bei NXP.

Das Problem: Flash-Speicher müssen zunächst gelöscht werden, bevor sie sich neu beschreiben lassen – dafür sind sehr hohe Spannungen erforderlich, was mit Knotengrößen unterhalb der 28 Nanometer, bei denen die Chipstrukturen zunehmend dreidimensional werden, nur schwer zu vereinbaren ist. Es gibt dafür Lösungsansätze, allerdings zulasten der Integrationsdichte. Dagegen lassen sich eMRAMs problemlos auf kleinere Technologieknoten übertragen.

Was ist der Effekt von MRAM auf Software-Updates?

Die Schreibgeschwindigkeit von MRAM ist zehnmal schneller als die von Flash und erfordert kein Löschen vor dem Schreiben, weshalb die Technologie zum Beispiel „20 Megabyte Code in drei Sekunden speichern kann, eFlash benötigt dafür eine Minute“, so Sarrat. „Der Unterschied mag auf den ersten Blick gering wirken, aber das Software-Defined Car wird Updates der Steuergeräte nur durchführen können, wenn das Fahrzeug steht. Dann laufen viele Updates parallel, und wenn dabei etwas nicht klappt, muss man womöglich wieder zum ursprünglichen Versionsstand zurückkehren. Dann sind rasch sechs, sieben Minuten vergangen – eine Zeitspanne, die schon nicht mehr so kurz klingt.“

MRAMs nutzen magnetische Eigenschaften von Materialien aus, um Daten auf Bit-Ebene zu speichern. Das Prinzip wurde in den 1980ern im Labor demonstriert. Bereits seit zwei Jahrzehnten gilt der Speichertyp in der Halbleiterbranche als eine der Zukunftstechnologien bei nichtflüchtigen Speichern: schnelle Schreibgeschwindigkeit, extrem häufig beschreibbar und lange Lebensdauer sind die Versprechen.

In den Nullerjahren kündigten mehrere Hersteller den baldigen Beginn der Massenproduktion an – ohne dass den Ankündigungen Taten folgten. Viele Probleme waren zu lösen, die Ausbeute auf Wafer-Ebene ließ lange zu wünschen übrig. Trotzdem trieb die Halbleiterbranche die MRAM-Entwicklung weiter voran. Und nach und nach gab es Erfolgsmeldungen, wenn auch die Stückzahlen noch weit entfernt von denen sind, die bei etablierten Flash- oder SRAM-Speichern – einer weiteren wichtigen Technologie im Embedded-Umfeld – aufgerufen werden.

Für eine Massenproduktion reicht das noch nicht. Daher käme den MRAM-Herstellern ein Markt wie die Automobilbranche gerade recht. Doch die dortigen Anforderungen sind hoch, was Fehlerquote und Temperaturbereich betrifft. Noch vor wenigen Jahren gab es in der Halbleiterindustrie zweifelnde Stimmen, ob MRAMs die Temperaturanforderungen der Automobilbranche jemals erfüllen können. NXP und TSMC versichern, dass für ihre eMRAM zum Markdebüt 150 Grad Celsius kein Problem darstellen werden. Gespeicherte Daten sollen für 20 Jahre und bis zu einer Million Update-Zyklen erhalten bleiben. Flash erreicht bei mehr als 100.000 Update-Zyklen zehn Jahre.

Einfacheres Arbeiten dank MRAMs

„eMRAM wird auch die Arbeit der OEMs erleichtern“, sagt Sarrat. „Bei High-Density-Steuergeräten muss man sich wegen der hohen Schreibgeschwindigkeit nicht mehr überlegen, wann sich der Code im Entwicklungsprozess am besten auf die Hardware aufspielen lässt. Selbst nach finalen Tests ist es noch möglich – oder während der Produktion des Fahrzeugs.“ Und beim Speichern von Daten, die sich nicht so häufig ändern, machen MRAMs Platz in teureren SRAMs frei. „Software-Ingenieure tun sich dadurch leichter, die Nutzung des SRAM-Speichers zu optimieren“, so Sarrat.

Durch die Neugestaltung der E/E-Architektur beim Software-Defined Car ergeben sich in seinen Augen ideale Einsatzgebiete für MRAMs. Dabei wird ein Zentralcomputer mit einer Reihe von Zonen-Controllern verbunden sein, die mehrere lokale Funktionen im Fahrzeug steuern. Das verringert die Zahl der Steuergeräte, die Komplexität der Kabelbäume und die Längen der Kabel. „Für solche Zonen-Controller“, sagt Sarrat, „ist eMRAM der perfekte Speicher.“