Ферроэлектрическая оперативная память ( FeRAM , F-RAM или FRAM ) — это память с произвольным доступом , похожая по конструкции на DRAM, но использующая слой сегнетоэлектрика вместо слоя диэлектрика для достижения энергонезависимости. FeRAM — одна из растущего числа альтернативных технологий энергонезависимой памяти с произвольным доступом , которые предлагают ту же функциональность, что и флэш-память . Чип FeRAM содержит тонкую пленку сегнетоэлектрического материала , часто цирконата-титаната свинца , обычно называемого PZT. Атомы в слое PZT меняют полярность в электрическом поле, тем самым создавая энергоэффективный двоичный переключатель. Однако наиболее важным аспектом PZT является то, что на него не влияют перебои питания или магнитные помехи, что делает FeRAM надежной энергонезависимой памятью. [1]
Преимущества FeRAM по сравнению с Flash включают: меньшее энергопотребление, более высокую скорость записи [2] и гораздо большую максимальную выносливость чтения/записи (около 10 10 - 10 15 циклов). [3] [4] FeRAM имеют время хранения данных более 10 лет при +85 °C (до многих десятилетий при более низких температурах). Отмеченные недостатки FeRAM - гораздо более низкая плотность хранения , чем у флэш-устройств, ограничения емкости хранения и более высокая стоимость. Как и DRAM, процесс чтения FeRAM является деструктивным, что требует архитектуры записи после чтения.
Ферроэлектрическая оперативная память была предложена аспирантом Массачусетского технологического института Дадли Алленом Баком в его магистерской диссертации « Сегнетоэлектрики для хранения и коммутации цифровой информации», опубликованной в 1952 году. [5]
В 1955 году Bell Telephone Laboratories экспериментировала с памятью на основе сегнетоэлектрических кристаллов. [6] После внедрения в начале 1970-х годов микросхем динамической памяти с произвольным доступом ( DRAM ) на основе металл-оксид-полупроводника (МОП) , [7] в конце 1980-х годов началась разработка FeRAM. В 1991 году в Лаборатории реактивного движения НАСА (JPL) была проведена работа по улучшению методов считывания, включая новый метод неразрушающего считывания с использованием импульсов УФ-излучения. [8]
FeRAM был коммерциализирован в середине 1990-х годов. В 1994 году компания Sega , выпускающая видеоигры, использовала чипы FeRAM для хранения сохраненных игр в Sonic the Hedgehog 3 , которая в том году поставила несколько миллионов игровых картриджей . [9] В 1996 году Samsung Electronics представила чип FeRAM емкостью 4 Мб , изготовленный с использованием логики NMOS . [10] В 1998 году Hyundai Electronics (теперь SK Hynix ) также коммерциализировала технологию FeRAM. [11] Самым ранним известным коммерческим продуктом, использующим FeRAM, является карта памяти PlayStation 2 (8 МБ) от Sony , выпущенная в 2000 году. [ нужна цитата ] Микроконтроллер карты памяти (MCU), произведенный Toshiba, содержал 32 кб (4 кБ ) встроенной FeRAM, изготовленной с использованием 500-нм комплементарного МОП (КМОП) процесса. [10]
Крупнейшим производителем современных FeRAM является Ramtron , полупроводниковая компания без собственных производственных мощностей . Одним из основных лицензиатов является Fujitsu , которая управляет одной из крупнейших линий по производству полупроводников с возможностью FeRAM. С 1999 года они используют эту линию для производства автономных FeRAM, а также специализированных чипов (например, чипов для смарт-карт) со встроенными FeRAM. Fujitsu производила устройства для Ramtron до 2010 года. С 2010 года производителями Ramtron являются TI (Texas Instruments) и IBM. По крайней мере с 2001 года Texas Instruments сотрудничает с Ramtron для разработки тестовых чипов FeRAM в модифицированном 130-нм процессе. Осенью 2005 года Ramtron сообщила, что они оценивают опытные образцы 8-мегабитной FeRAM, изготовленной с использованием процесса FeRAM компании Texas Instruments. В 2005 году Fujitsu и Seiko-Epson сотрудничали в разработке 180-нм процесса FeRAM. В 2012 году компания Ramtron была приобретена компанией Cypress Semiconductor . [12] Исследовательские проекты FeRAM также были зарегистрированы в Samsung , Matsushita , Oki , Toshiba , Infineon , Hynix , Symetrix, Кембриджском университете , Университете Торонто и Межвузовском центре микроэлектроники (IMEC, Бельгия ).
Традиционная DRAM состоит из сетки небольших конденсаторов и связанных с ними проводов и сигнальных транзисторов . Каждый элемент хранения, ячейка , состоит из одного конденсатора и одного транзистора, так называемого устройства "1T-1C".
Конструкция ячейки памяти 1T-1C в FeRAM аналогична ячейке памяти в DRAM, поскольку оба типа ячеек включают один конденсатор и один транзистор доступа. В конденсаторе ячейки DRAM используется линейный диэлектрик, тогда как в конденсаторе ячейки FeRAM диэлектрическая структура включает сегнетоэлектрический материал , обычно цирконат-титанат свинца (PZT).
Сегнетоэлектрический материал имеет нелинейную связь между приложенным электрическим полем и, по-видимому, сохраненным зарядом. В частности, сегнетоэлектрическая характеристика имеет форму петли гистерезиса , которая по форме очень похожа на петлю гистерезиса ферромагнитных материалов. Диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектрика обычно намного выше, чем у линейного диэлектрика из-за эффектов полупостоянных электрических диполей, образованных в кристаллической структуре сегнетоэлектрического материала. Когда внешнее электрическое поле прикладывается к диэлектрику, диполи стремятся выровняться по направлению поля, что вызвано небольшими сдвигами в положениях атомов и сдвигами в распределениях электронного заряда в кристаллической структуре. После удаления заряда диполи сохраняют свое состояние поляризации. Двоичные «0» и «1» хранятся как одна из двух возможных электрических поляризаций в каждой ячейке хранения данных. Например, на рисунке «1» закодирована с использованием отрицательной остаточной поляризации «-Pr», а «0» закодирован с использованием положительной остаточной поляризации «+Pr».
С точки зрения работы FeRAM похож на DRAM. Запись осуществляется путем приложения поля к сегнетоэлектрическому слою путем зарядки пластин по обе стороны от него, заставляя атомы внутри принимать ориентацию «вверх» или «вниз» (в зависимости от полярности заряда), тем самым сохраняя «1» или «0». Однако чтение несколько отличается от DRAM. Транзистор переводит ячейку в определенное состояние, скажем, «0». Если ячейка уже удерживала «0», на выходных линиях ничего не произойдет. Если ячейка удерживала «1», переориентация атомов в пленке вызовет кратковременный импульс тока на выходе, поскольку они выталкивают электроны из металла на «нижней» стороне. Наличие этого импульса означает, что ячейка удерживала «1». Поскольку этот процесс перезаписывает ячейку, чтение FeRAM является деструктивным процессом и требует перезаписи ячейки.
В целом, работа FeRAM похожа на работу памяти на ферритовых сердечниках , одной из основных форм компьютерной памяти в 1960-х годах. Однако, по сравнению с памятью на сердечниках, FeRAM требует гораздо меньше энергии для переключения состояния полярности и делает это гораздо быстрее.
Основным фактором, определяющим стоимость системы памяти, является плотность компонентов, используемых для ее создания. Более мелкие компоненты и их меньшее количество означают, что больше ячеек можно упаковать на одном чипе, что, в свою очередь, означает, что больше можно производить одновременно с одной кремниевой пластины. Это повышает выход продукции, который напрямую связан со стоимостью.
Нижний предел этого процесса масштабирования является важным моментом сравнения. В целом, технология, которая масштабируется до наименьшего размера ячейки, в конечном итоге будет наименее затратной на бит. С точки зрения конструкции FeRAM и DRAM похожи и, в общем, могут быть построены на схожих линиях при схожих размерах. В обоих случаях нижний предел, по-видимому, определяется количеством заряда, необходимым для запуска усилителей считывания. Для DRAM это, по-видимому, является проблемой на уровне около 55 нм, когда заряд, хранящийся в конденсаторе, слишком мал для обнаружения. Неясно, может ли FeRAM масштабироваться до того же размера, поскольку плотность заряда слоя PZT может не совпадать с плотностью заряда металлических пластин в обычном конденсаторе.
Дополнительным ограничением по размеру является то, что материалы, как правило, перестают быть сегнетоэлектриками, когда они слишком малы. [13] [14] (Этот эффект связан с «полем деполяризации» сегнетоэлектрика.) Продолжаются исследования по решению проблемы стабилизации сегнетоэлектрических материалов; один из подходов, например, использует молекулярные адсорбаты. [13]
На сегодняшний день коммерческие устройства FeRAM производятся на 350 нм и 130 нм. Ранние модели требовали двух ячеек FeRAM на бит, что приводило к очень низкой плотности, но это ограничение с тех пор было снято.
Ключевое преимущество FeRAM перед DRAM заключается в том, что происходит между циклами чтения и записи. В DRAM заряд, осажденный на металлических пластинах, просачивается через изолирующий слой и управляющий транзистор и исчезает. Для того чтобы DRAM могла хранить данные в течение чего-либо, кроме очень короткого времени, каждая ячейка должна периодически считываться и затем перезаписываться, процесс, известный как обновление . Каждая ячейка должна обновляться много раз в секунду (обычно 16 раз в секунду [15] ), и это требует непрерывной подачи питания.
Напротив, FeRAM требует питания только при фактическом чтении или записи ячейки. Подавляющее большинство мощности, используемой в DRAM, используется для обновления, поэтому кажется разумным предположить, что эталонный тест, указанный исследователями STT-MRAM, полезен и здесь, указывая на потребление энергии примерно на 99% ниже, чем в DRAM. Однако аспект деструктивного чтения FeRAM может поставить его в невыгодное положение по сравнению с MRAM .
Другой тип энергонезависимой памяти — флэш-память , и, как и FeRAM, она не требует процесса обновления. Флэш-память работает, проталкивая электроны через высококачественный изолирующий барьер, где они «застревают» на одном выводе транзистора . Этот процесс требует высоких напряжений, которые со временем накапливаются в зарядовом насосе . Это означает, что можно ожидать, что FeRAM будет иметь меньшую мощность, чем флэш-память, по крайней мере, для записи, поскольку мощность записи в FeRAM лишь незначительно выше, чем чтения. Для «в основном читаемого» устройства разница может быть незначительной, но для устройств с более сбалансированным чтением и записью можно ожидать, что разница будет намного больше.
Надежность данных в F-RAM гарантирована даже в условиях сильного магнитного поля по сравнению с MRAM . Устройства F-RAM от Cypress Semiconductor [16] невосприимчивы к сильным магнитным полям и не показывают никаких сбоев при максимально доступных напряженностях магнитного поля (3700 Гаусс для горизонтальной вставки и 2000 Гаусс для вертикальной вставки). Кроме того, устройства F-RAM позволяют перезаписывать данные с другим шаблоном после воздействия магнитных полей.
Скорость DRAM ограничена скоростью, с которой заряд, хранящийся в ячейках, может быть слит (для чтения) или сохранен (для записи). В целом, это определяется возможностями управляющих транзисторов, емкостью линий, по которым подается питание к ячейкам, и теплом, которое генерирует питание.
FeRAM основан на физическом движении атомов в ответ на внешнее поле, которое происходит чрезвычайно быстро, в среднем около 1 нс. Теоретически это означает, что FeRAM может быть намного быстрее, чем DRAM. Однако, поскольку для чтения и записи в ячейку должна поступать энергия, электрические и коммутационные задержки, вероятно, будут аналогичны DRAM в целом. Кажется разумным предположить, что FeRAM потребует меньше заряда, чем DRAM, поскольку DRAM необходимо удерживать заряд, тогда как FeRAM будет записан до того, как заряд разрядится. Однако при записи есть задержка, поскольку заряд должен протекать через управляющий транзистор, что несколько ограничивает ток.
По сравнению с флэш-памятью, преимущества гораздо более очевидны. В то время как операция чтения, вероятно, будет схожей по скорости, зарядовый насос, используемый для записи, требует значительного времени для «наращивания» тока, процесс, который не нужен FeRAM. Флэш-памяти обычно требуется миллисекунда или больше для завершения записи, тогда как современные FeRAM могут завершить запись менее чем за 150 нс.
С другой стороны, у FeRAM есть свои проблемы с надежностью, включая отпечаток и усталость. Отпечаток — это предпочтительное состояние поляризации от предыдущих записей к этому состоянию, а усталость — это увеличение минимального напряжения записи из-за потери поляризации после обширного цикла.
Теоретическая скорость FeRAM не совсем ясна. Существующие 350 нм устройства имеют время чтения порядка 50–60 нс. Хотя они и медленнее современных DRAM, которые можно найти со временем порядка 20 нс, обычные 350 нм DRAM работали со временем чтения около 35 нс, [17] поэтому скорость FeRAM, по-видимому, сопоставима с учетом той же технологии изготовления.
FeRAM остается относительно небольшой частью общего рынка полупроводников. В 2005 году мировые продажи полупроводников составили 235 миллиардов долларов США (по данным Gartner Group ), а рынок флэш-памяти составил 18,6 миллиарда долларов США (по данным IC Insights). [ необходима цитата ] Годовой объем продаж Ramtron, возможно, крупнейшего поставщика FeRAM, в 2005 году, как сообщается, составил 32,7 миллиона долларов США. Гораздо большие продажи флэш-памяти по сравнению с альтернативными NVRAM поддерживают гораздо более масштабные исследования и разработки. Флэш-память производится с использованием полупроводниковых линий шириной 30 нм в Samsung (2007), в то время как FeRAM производятся с шириной линий 350 нм в Fujitsu и 130 нм в Texas Instruments (2007). Ячейки флэш-памяти могут хранить несколько бит на ячейку (в настоящее время 4 в устройствах флэш-памяти NAND с самой высокой плотностью), и прогнозируется, что количество бит на ячейку флэш-памяти увеличится до 8 в результате инноваций в конструкции ячеек флэш-памяти. В результате этого поверхностная плотность бит флэш-памяти намного выше, чем у FeRAM, и, таким образом, стоимость одного бита флэш-памяти на порядки ниже, чем у FeRAM.
Плотность массивов FeRAM может быть увеличена за счет усовершенствований в технологии литейного процесса FeRAM и структурах ячеек, таких как разработка вертикальных конденсаторных структур (таким же образом, как DRAM) для уменьшения площади отпечатка ячейки. Однако уменьшение размера ячейки может привести к тому, что сигнал данных станет слишком слабым, чтобы его можно было обнаружить. В 2005 году Ramtron сообщила о значительных продажах своей продукции FeRAM в различных секторах, включая (но не ограничиваясь) счетчики электроэнергии , [24] автомобилестроение (например, черные ящики , интеллектуальные подушки безопасности ), бизнес-машины (например, принтеры, контроллеры RAID- дисков), приборостроение, медицинское оборудование, промышленные микроконтроллеры и метки радиочастотной идентификации . Другие появляющиеся NVRAM, такие как MRAM, могут стремиться выйти на аналогичные нишевые рынки в конкуренции с FeRAM.
Texas Instruments доказала возможность встраивания ячеек FeRAM с использованием двух дополнительных этапов маскирования [ требуется ссылка ] во время обычного производства полупроводников CMOS. Флэш-память обычно требует девяти масок. Это делает возможной, например, интеграцию FeRAM в микроконтроллеры, где упрощенный процесс снизит затраты. Однако материалы, используемые для изготовления FeRAM, обычно не используются в производстве интегральных схем CMOS. Как сегнетоэлектрический слой PZT, так и благородные металлы, используемые для электродов, вызывают проблемы совместимости и загрязнения процесса CMOS. Texas Instruments включила часть памяти FRAM в свои микроконтроллеры MSP430 в своей новой серии FRAM. [25]
По состоянию на 2021 год различные поставщики продавали чипы с объемом памяти (плотностью) не более 16 МБ. [26]
В рамках самого большого на сегодняшний день использования энергонезависимой сегнетоэлектрической оперативной памяти (FRAM) производитель видеоигр Sega отгрузил несколько миллионов копий своей новой игры "Sonic the Hedgehog III", которая включает FRAMS от Ramtron International Corp для сохранения игры между сеансами.
FRAM гарантированно выдерживает не менее 10 000 000 000 циклов записи.
Кристалл чипа Ramtron FM24C64 FRAM... В этой статье мы рассмотрим внутреннюю часть чипа FRAM 1999 года...
16-разрядных микроконтроллеров (МК) MSP430 обеспечивает доступные решения для многих приложений. ... В настоящее время существует две основные серии, основанные на типе энергонезависимой памяти (NVM) — семейства Flash и семейства FRAM. Микроконтроллеры FRAM потребляют меньше энергии и сочетают в себе характеристики Flash и RAM. ... Серия FRAM включает MSP430FR2xx, MSP430FR4xx, MSP430FR5xx и MSP430FR6xx