Время использовать FRAM
«Сегнетоэлектрический эффект — возможность материала сохранять электрическую поляризацию в отсутствие внешнего электрического поля»
(из учебника «Курс общей физики» )
Лидером в разработке и производстве FRAM является фирма RAMTRON International Corporation (далее — RAMTRON). Эта компания имеет партнерские отношения с мировыми лидерами полупроводниковой промышленности — фирмами Hitachi, Rohm, Toshiba, Fujitsu и Samsung.
Основные вехи истории разработки FRAM фирмой RAMTRON и ее партнерами
1984 год - фирма RAMTRON приступила к разработке технологии производства запоминающих устройств типа FRAM.
1989 год - введена в эксплуатацию первая фабрика для производства FRAM.
1993 год - первый коммерческий продукт - микросхема FRAM с объемом ЗУ 4 Kбит запущена в серийное производстве.
1996 год - налажено производство микросхемы 16 Kбит FRAM.
1998 год - массовое производство FRAM по технологии с топологической нормой 1,0 мкм.
1999 год - массовое производство FRAM по 0,5 мкм технологии, микросхемы FRAM с объемом памяти 64 Kбит и 256 Kбит - в производстве.
2000 год - производство 1 Mбит FRAM с ячейкой типа 1T1C, начало производства микросхем FRAM с напряжением питания 3 В.
2001 год - введение технологии производства с топологической нормой 0,35 мкм.
Введение
С такими сокращениями, как ЗУ, ОЗУ, СОЗУ, ДОЗУ, ПЗУ, ППЗУ, УФППЗУ, RAM, SRAM, DRAM, ROM, EPROM, EEPROM, Флэш ПЗУ или просто FLASH знаком, практически, любой человек, имеющий отношение к вычислительным машинам или устройствам обработки цифровой информации. Специалист может грамотно и доходчиво объяснить, в чем принципиальная разница между этими сокращениями. Например, так: «Все эти сокращения предназначены для обозначения двух категорий запоминающих устройств (ЗУ), используемых в цифровой технике».
Первая категория — это энергонезависимые постоянные запоминающие устройства (ПЗУ или, по-английски, ROM — Read Only Memory), традиционно предназначенные для хранения программ. базовой особенностью этой категории ЗУ является сохранение записанной в них информации при отключении напряжения питания. В системах обработки информации они применяются только для чтения, или преимущественно для чтения, поскольку цикл записи в них трудоемкий и долговременный.
Вторая категория — это энергозависимые оперативные запоминающие устройства (ОЗУ или, по-английски, RAM — Random Access Memory), традиционно предназначенные для хранения данных. базовой недостаток этой категории ЗУ — пропадание записанных в них данных при отключении или пропадании напряжения питания. Эту категорию ЗУ используют для хранения данных, которые подвергаются частым изменениям. цикл записи и чтения данных в ОЗУ довольно простой и быстрый. Однако, сохранение данных в такой памяти при отключении напряжения питания является сложной технической задачей.
Специалисты могут добавить к перечисленному, что всегда существовало (и существует) стремление усовершенствовать каждую категорию ЗУ так, чтобы функцию постоянной и оперативной памяти выполняло одно устройство. Вспомнят о паллиативах — схемах статического ОЗУ с батарейкой в одном корпусе. К таким устройствам относятся BBSRAM (Battery Backed Static RAM — статические ОЗУ с батарейным питанием), выпускаемые фирмами Dallas Semiconductor, STMicroelectronics и Benchmarq. Могут также привести в пример схемы с двумя типами памяти SRAM и EEPROM (Electronic Erasure Programmable ROM — ПЗУ с электрическим перепрограммированием) на одном кристалле. Такие микросхемы фирмы ZMD позволили частично решить задачу реализации ЗУ, совмещающей быстродействие статического ОЗУ при записи информации с возможностью ПЗУ сохранять информацию при отключении напряжения питания.
Сегнетоэлектрическая память с произвольным доступом
Искушенные профессионалы цифровой техники обязательно напомнят о таком типе устройств памяти, как FRAM ( Ferroelectric Random Access Memory). В соответствии с англо-русским словарем по электронике и справочником по физике, слово ferroelectric переводится как сегнетоэлектрик , а не как ферроэлектрик . FRAM — это сегнетоэлектрическое ОЗУ. Устройство памяти на основе сегнетоэлектрического эффекта имеет характеристики, которые позволяют в настоящее время рассматривать его, как идеальное решение для применения в качестве энергонезависимого ОЗУ.
Что такое FRAM?
FRAM — это запоминающее устройство типа ОЗУ, которое использует сегнетоэлектрический эффект для реализации механизма хранения данных. Этот механизм существенно отличается от используемой в других типах энергонезависимой памяти технологии плавающего затвора. Сегнетоэлектрический эффект — это возможность материала сохранять электрическую поляризацию в отсутствие внешнего электрического поля. Сегнетоэлектрические материалы нечувствительны к магнитным полям и Х-излучению. Конструктивное исполнение FRAM-устройств делает их нечувствительными к реальным внешним электрическим полям.
Ячейка памяти FRAM создается размещением сверхтонкой пленки сегнетоэлектрического материала в крис-таллическом виде между двумя плоскими металлическими электродами, образующими конденсатор. Этот конденсатор конструктивно весьма похож на конденсатор, используемый при построении ячейки динамического оперативного запоминающего устройства (Dynamic RAM - DRAM). Однако, вместо того, чтобы хранить данные как заряд в конденсаторе, подобно DRAM, сегнетоэлектрическая ячейка памяти хранит данные внутри кристаллической структуры. Сегнетоэлектрические кристаллы сохраняют два стабильных состояния — «1» и «0». Благодаря этому реализация базовой ячейки ОЗУ проста, как и схемы усилителя считывания и записи. Поскольку в ячейке FRAM отсутствует эффект утечки заряда, приводящий к потере информации, нет необходимости в периодической регенерации данных, как в динамической памяти. Более того, при отключении напряжения питания данные сохраняются.
Как работает ячейка FRAM?
Простейшая модель сегнетоэлектрического кристалла приведена на 1.
Сегнетоэлектрический кристалл имеет подвижный атом в центре кристалла. Приложение внешнего электрического поля к кристаллу заставляет этот атом двигаться в направлении приложенного поля. Изменение направления электрического поля заставляет атом двигаться в обратном направлении. Положение атома в верхней и нижней части кристалла стабильное. Поэтому снятие электрического поля оставляет атом в стабильном положении, даже при отсутствии напряжения питания. Как элемент памяти, сегнетоэлек-трический кристалл идеально подходит для реализации устройств цифровой (дискретной) памяти. Он имеет два устойчивых состояния и является весьма стабильным во времени. При этом требуется весьма мало времени и энергии для изменения его состояния.
Хотя элемент памяти содержит конденсатор, данные не хранятся в нем в виде заряда. Чтобы выполнить операцию чтения ячейки памяти FRAM, необходимо определить положение атомов внутри сегнетоэлектрического кристалла. Для этого электрическое поле прикладывается к кристаллу через обкладки конденсатора. Свободные атомы будут перемещаться через кристалл в направлении приложенного поля, если они уже не в соответствующем положении . Конденсатор с атомами, которые изменили свое первоначальное положение в кристалле (и, соответственно, преодолели энергетический барьер), будет генерировать больший заряд, чем конденсатор с атомами, которые не изменяли своего положения. «Непере-ключившийся» конденсатор будет иметь обычный заряд DRAM, а «переключившийся» — будет иметь комбинацию заряда конденсатора DRAM и сегнетоэлектрического заряда. Встроенный высокочувствительный усилитель считывания сравнивает величину заряда на конденсаторе с опорным значением и формирует соответствующий сигнал («0» или «1») на выходе схемы. Переключение состояния атомов происходит за промежуток времени менее 100 нсек.
Поскольку операция чтения памяти вызывает изменение состояния ячейки, схема автоматически восстанавливает (перезаписывает) корректные данные в ячейке. Время восстановления состояния ячейки памяти составляет менее 100 нсек.
Операция записи весьма похожа на операцию чтения. По сравнению с технологиями цикла записи других типов энергонезависимой памяти, операция записи данных в ячейку FRAM весьма проста. Схема просто производит запись данных в сегнетоэлектрические конденсаторы. Если необходимо, то новые данные просто переключают состояние сегнетоэлектрических кристаллов. Как и при чтении, изменение состояния происходит менее, чем за 100 нсек.
Архитектура ячейки памяти FRAM
Микросхемы FRAM, находящиеся в производстве, используют структуру ячейки, реализованную на двух транзисторах и двух конденсаторах (ячейка памяти типа 2T2C).Такая ячейка конструктивно имеет большие геометрические размеры, но на этапе серийного освоения технологии FRAM позволила обеспечить высокую надежность изготовления микросхем. Эквивалентная схема ячейки типа 2Т2С приведена на 2.
В настоящее время разрабатывается структура ячейки, для которой используется один транзистор и один конденсатор (ячейка памяти 1Т1С). Эквивалентная схема ячейки типа 1Т1С приведена на 3. Такой тип ячейки позволит производить микросхемы FRAM с объемом 1 Мбит.
Особенности и достоинства FRAM
Традиционная схема продвижения новых технологий микросхем запоминающих устройств (ЗУ) на рынок — это внедрение в одну из существующих областей применения. На первом этапе область применения определяет особенности интерфейса и технические характеристики нового изделия. Можно привести много примеров.
Производители первых схем динамической памяти продвигали их на рынок, как самую дешевую замену стандартных схем статической памяти. Поэтому они были вынуждены использовать схему мультиплексирования адреса, чтобы соответствовать стандартам на число выводов корпуса схем ОЗУ и стоимость самих корпусов.
Первые микросхемы флэш-памяти были представлены, как замена микросхемам перепрограммируемых ПЗУ со стиранием посредством ультрафиолетового излучения (УФППЗУ) для модернизации использующих их устройств. По мере формирования собственных областей применения, новые поколения микросхем флэш-памяти использовали новые интерфейсы и стандарты протоколов обмена.
Подобная схема развития свойственна и для продуктов FRAM. Для упрощения внедрения технологии FRAM на рынок, первые микросхемы FRAM разрабатывались с целью улучшить существующие запоминающие устройства. С учетом существовавших практических ограничений на уровень интеграции первых образцов FRAM, их разрабатывали в качестве замены имеющихся микросхем типа EEPROM с лучшими характеристиками. Например, FRAM с емкостью 16 Kбит стали прямой заменой для EEPROM с последовательным интерфейсом. и в первых изделиях FRAM использовался такой же последовательный интерфейс, как и у EEPROM, даже вопреки их характеристикам, свойственным классу ОЗУ.
Независимо от типа интерфейса, микросхемы FRAM функционируют наподобие динамических ОЗУ. Они имеют такую же производительность, как микросхемы, выполненные по технологии DRAM при операции чтения и записи. Запоминающие устройства FRAM обладают следующими характеристиками, свойственными классу ОЗУ:
- одинаковые длительности циклов чтения и записи;
- возможность выполнения практически неограниченного числа циклов перезаписи;
- одинаковые энергетические за-траты при чтении и записи;
- простота системного проектирования.
Основное различие (помимо энергонезависимости) между устройствами классов ОЗУ и ПЗУ заключается в разной степени трудности операции записи. Традиционно, энергонезависимые типы памяти имеют в основе устройства хранения информации элемент с плавающим затвором, который, по своей сути, противодействует реализации записи. Запись в ячейку EEPROM предполагает туннельный перенос (скорее проталкивание) электронов через тонкий окисел и их накопление на плавающем затворе. На это затрачивается большое количество энергии при приложенном высоком напряжении и требуется относительно длительный промежуток времени. Для записи в ячейку EEPROM требуются единицы миллисекунд, а время записи в ячейку FRAM составляет менее 150 нсек.
Устройства типа EEPROM выдерживают ограниченное число операций записи, что является следствием тяжелых стрессовых условий, связанных с записью. Устройства с плавающим затвором выходят из строя (изнашиваются) после 100 000 или 1 000 000 циклов записи. А это слишком мало для применения в областях, связанных со сбором данных. Перезапись в приборы памяти типа FRAM может осуществляться свыше 10 миллиардов раз. Более того, плавающий затвор — это механизм, подверженный системным сбоям, поскольку слой окисла (барьер) разрушается после относительно небольшого количества циклов записи. Работа ячейки FRAM в режиме записи не приводит к ранним выходам из строя, поскольку операция записи не вызывает стрессовых условий.
В отличие от устройств памяти, реализованных на основе плавающего затвора, устройства FRAM не требуют подачи повышенного напряжения для записи в ячейку. Комбинация длительных циклов записи и высокого напряжения является причиной того, что память на основе плавающего затвора весьма энергоемка. Подводя итог, особенности и достоинства FRAM можно охарактеризовать так:
- быстрая запись;
- высокий ресурс по количеству циклов записи;
- низкая потребляемая мощность .
Уже на данный момент имеется ряд областей применения, использующих в полной мере преимущества FRAM и, очевидно, что по мере повыше- ния емкости устройств FRAM будут появляться новые области их применения.
Области применения
В настоящее время области применения ЗУ типа FRAM могу быть разделены на две основные категории. Первая категория — это системы сбора данных. В этом случае микросхемы FRAM используются для сбора и хранения данных о состоянии системы.
Вторая категория объединяет тех пользователей, которые используют преимущества FRAM для экономии затрат на циклах разработки и производства. Короткие циклы записи позволяют быстрее программировать устройства, находящиеся уже в составе системы и на сборочных линиях. На уровне систем это приводит к упрощению разработки системы и програм-ного обеспечения, и, соответственно, к сокращению срока ввода новых продуктов на рынок. Длительное время начального программирования (в случае использования EEPROM) приводит к дополнительным затратам на линиях сборки.
Производительность системы может быть повышена за счет ускоренной записи, свойственной FRAM. С другой стороны, система на основе FRAM способна собирать больше данных и может чаще опрашивать источник данных. оба эти достоинства реализуются в системах одновременно.
Некоторые из преимуществ ЗУ FRAM приводят к очевидным системным преимуществам. Например, быстрые циклы записи позволяют системе собирать больше данных за меньшее время. Некоторые системные преимущества не столь очевидны. Рассмотрим кратко системные преимущества от применения FRAM в системах сбора данных.
Сбои в питании
Любая энергонезависимая память может использоваться для хранения информации о конфигурации системы. Но если в момент изменения конфигурации системы возможно пропадание напряжения питания, то более быстрая запись в ЗУ типа FRAM позволит записать эту информацию без потерь.
Условия эксплуатации с высоким уровнем помех
При записи в EEPROM в условиях помех могут возникать большие проблемы. Когда имеются различные шумы или флуктуации напряжения на шине питания, длительный цикл записи в EEPROM представляет собой временное окно, в котором в любой момент может возникнуть сбой записи. Цикл записи в запоминающее устройство типа FRAM укладывается в 100 нсек. В обычных условиях этот промежуток времени слишком мал, чтобы шумы или флуктуации напряжения питания успели повлиять на цикл записи.
RF/ID устройства
В области бесконтактных радиочастотных устройств идентификации, где подача питающего напряжения, считывание и запись данных осуществляются по радиочастотному каналу, FRAM, со своим коротким временем программирования и мизерными токами потребления при программировании и хранении информации является идеальным решением.
Диагностика и отладка
В сложных системах знание истории функционирования и состояния системы в момент отказа весьма важны. Отладка и обслуживание системы возможны, если эта информация была записана. За счет высокого ресурса по перезаписи, FRAM — это идеальный «журнал отказов». В разнообразных системах — от рабочих станций до промышленных систем управления — польза от этого свойства очевидна.
RAMTRON работает над усовершенствованием технологии и увеличением объемов производства FRAM.
Что производится сейчас?
В настоящее время фирма RAMTRON имеет в производстве три семейства FRAM:
- семейство FM24Cxx с последовательным интерфейсом стандарта I2C;
- семейство FM25xxx с последовательным интерфейсом стандарта SPI;
- семейство FM16/18xx с параллельным интерфейсом стандарта JEDEC.
В табл.1 приведены все типы микросхем FRAM, производимые в настоящее время фирмой RAMTRON.
Микросхемы, выпуск которых намечен на 2000 год, приведены в таблице 2.
В табл.3 приведены сравнительные характеристики микросхемы энергонезависимой памяти c организацией 2 Kx8 с последовательным интерфейсом типа I2C, выпускаемой фирмой RAMTRON, и микросхемами EEPROM четырех ведущих фирм-производителей.
Как видно из таблицы, микросхемы FRAM памяти превосходят схемы EEPROM по всем показателям в десятки раз.
Соответствие по выводам и организации микросхем FRAM памяти и микросхем EEPROM и BBSRAM шести ведущих производителей представлены в табл.4. (см. PDF-веpсию)
Статья подготовлена по материалам фирмы RAMTRON (http://www.ramtron.com/).
Автор: В. Темченко
Читайте далее: Необычный режим работы полевого транзистора, Мембранная клавиатура, КР174УН31 - низковольтный усилитель мощности звуковой частоты, Некоторые применения операционного усилителя типа 741 (140УД7), Изготовление трансформаторов, Защита СВЧ транзисторов, Механическое ускорение травления, Изготовление корпуса за 5 минут, Серебрение проводников, Канифоль из смолы, Разъем для батарей, Диаметр по линейке, Хранение радиодеталей,
|
