Ферроэлектрическое ОЗУ ( FeRAM , F-RAM или FRAM ) — это оперативное запоминающее устройство, аналогичное по конструкции DRAM , но использующее сегнетоэлектрический слой вместо диэлектрического слоя для достижения энергонезависимости. FeRAM — одна из растущего числа альтернативных технологий энергонезависимой оперативной памяти , которые предлагают те же функциональные возможности, 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, создавая тем самым энергоэффективный двоичный переключатель. Однако наиболее важным аспектом PZT является то, что на него не влияют сбои питания или магнитные помехи, что делает FeRAM надежной энергонезависимой памятью. [1]
Преимущества FeRAM перед Flash включают в себя: более низкое энергопотребление, более высокую скорость записи [2] и гораздо большую максимальную выносливость чтения/записи (около 10 10–10 15 циклов ). [3] [4] Срок хранения данных FeRAM составляет более 10 лет при +85 °C (до многих десятилетий при более низких температурах). Отмеченными недостатками FeRAM являются гораздо меньшая плотность хранения , чем у флэш-устройств, ограничения емкости хранилища и более высокая стоимость. Как и DRAM, процесс чтения FeRAM является разрушительным и требует архитектуры записи после чтения .
Сегнетоэлектрическая RAM 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 сегнетоэлектрических кристаллах. [6] После появления микросхем динамической оперативной памяти ( DRAM ) металл-оксид-полупроводник (MOS ) в начале 1970-х годов, [7] разработка FeRAM началась в конце 1980-х годов. В 1991 году в Лаборатории реактивного движения НАСА (JPL) проводилась работа по совершенствованию 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 по производству видеоигр Sega использовала чипы FeRAM для хранения сохраненных игр в Sonic the Hedgehog 3 , которая в том же году поставила несколько миллионов игровых картриджей . [9] В 1996 году компания Samsung Electronics представила чип FeRAM емкостью 4 МБ , изготовленный с использованием логики NMOS . [10] В 1998 году компания Hyundai Electronics (ныне SK Hynix ) также коммерциализировала технологию FeRAM. [11] Самый ранний известный коммерческий продукт, использующий FeRAM, — это карта памяти Sony PlayStation 2 ( 8 МБ ) , выпущенная в 2000 году . FeRAM изготовлен с использованием технологии комплементарной МОП (КМОП) 500 нм . [10]
Крупнейшим современным производителем FeRAM является Ramtron , компания по производству полупроводников без собственных производственных мощностей . Одним из крупных лицензиатов является компания Fujitsu , которая управляет одной из крупнейших линий по производству полупроводников с поддержкой FeRAM. С 1999 года на этой линии производят как отдельные FeRAM, так и специализированные чипы (например, чипы 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 в разработке тестовых чипов FeRAM по модифицированному 130-нм техпроцессу. Осенью 2005 года компания Ramtron сообщила, что оценивает прототипы 8-мегабитной FeRAM, изготовленной с использованием технологии FeRAM от Texas Instruments. В 2005 году Fujitsu и Seiko-Epson совместно работали над разработкой 180-нм техпроцесса FeRAM. В 2012 году Ramtron была приобретена Cypress Semiconductor . [12] Об исследовательских проектах FeRAM также сообщалось в Samsung , Matsushita , Oki , Toshiba , Infineon , Hynix , Symetrix, Кембриджском университете , Университете Торонто и Межуниверситетском центре микроэлектроники (IMEC, Бельгия ).
Обычная DRAM состоит из сетки небольших конденсаторов и связанных с ними проводов и сигнальных транзисторов . Каждый запоминающий элемент, ячейка , состоит из одного конденсатора и одного транзистора, так называемого устройства «1Т-1С».
Конструкция ячейки памяти 1T-1C в FeRAM аналогична конструкции ячейки памяти в DRAM, поскольку оба типа ячеек включают в себя 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 зависимость между приложенным электрическим полем и явно накопленным зарядом. В частности, сегнетоэлектрическая характеристика имеет вид петли гистерезиса , по форме очень похожей на петлю гистерезиса ферромагнитных материалов. Диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектрика обычно намного выше, чем у линейного диэлектрика, из-за влияния полупостоянных электрических диполей , образующихся в кристаллической структуре сегнетоэлектрика. Когда внешнее электрическое поле прикладывается к диэлектрику, диполи стремятся выровняться по направлению поля, что вызвано небольшими сдвигами в положениях атомов и сдвигами в распределении электронного заряда в кристаллической структуре. После удаления заряда диполи сохраняют свое состояние поляризации. Двоичные «0» и «1» сохраняются как одна из двух возможных электрических поляризаций в каждой ячейке хранения данных. Например, на фигуре «1» кодируется с использованием отрицательной остаточной поляризации «-Pr», а «0» кодируется с использованием положительной остаточной поляризации «+Pr».
По принципу работы FeRAM аналогичен DRAM. Запись осуществляется путем приложения поля к сегнетоэлектрическому слою путем зарядки пластин по обе стороны от него, заставляя атомы внутри ориентироваться «вверх» или «вниз» (в зависимости от полярности заряда), тем самым сохраняя «1». " или "0". Чтение, однако, несколько иное, чем в DRAM. Транзистор переводит ячейку в определенное состояние, скажем, «0». Если ячейка уже содержит «0», в выходных строках ничего не произойдет. Если в ячейке была цифра «1», переориентация атомов в пленке вызовет короткий импульс тока на выходе, поскольку они выталкивают электроны из металла на «нижней» стороне. Наличие этого импульса означает, что в ячейке находится «1». Поскольку этот процесс перезаписывает ячейку, чтение FeRAM является разрушительным процессом и требует перезаписи ячейки.
В целом работа FeRAM аналогична памяти с ферритовым сердечником , одной из основных форм компьютерной памяти в 1960-х годах. Однако по сравнению с основной памятью FeRAM требует гораздо меньше энергии для изменения состояния полярности и делает это намного быстрее.
Основным фактором, определяющим стоимость системы памяти, является плотность компонентов, из которых она состоит. Меньшие компоненты и меньшее их количество означает, что больше ячеек можно упаковать в один чип, что, в свою очередь, означает, что больше элементов можно производить одновременно из одной кремниевой пластины. Это повышает урожайность, которая напрямую связана с себестоимостью.
Нижний предел этого процесса масштабирования является важной точкой сравнения. В общем, технология, которая масштабируется до наименьшего размера ячейки, в конечном итоге будет наименее дорогой в пересчете на бит. С точки зрения конструкции FeRAM и DRAM схожи и, как правило, могут быть построены на аналогичных линиях и одинаковых размерах. В обоих случаях нижний предел, по-видимому, определяется количеством заряда, необходимого для срабатывания усилителей чувствительности. Для DRAM это кажется проблемой при длине волны около 55 нм, когда заряд, накопленный в конденсаторе, слишком мал, чтобы его можно было обнаружить. Неясно, может ли FeRAM масштабироваться до того же размера, поскольку плотность заряда слоя PZT может отличаться от плотности заряда металлических пластин в обычном конденсаторе.
Дополнительным ограничением размера является то, что материалы перестают быть сегнетоэлектриками, когда они слишком малы. [13] [14] (Этот эффект связан с «полем деполяризации» сегнетоэлектрика.) Продолжаются исследования по решению проблемы стабилизации сегнетоэлектрических материалов; например, в одном подходе используются молекулярные адсорбаты. [13]
На сегодняшний день коммерческие устройства FeRAM производятся по техпроцессу 350 нм и 130 нм. Ранним моделям требовалось две ячейки FeRAM на бит, что приводило к очень низкой плотности, но с тех пор это ограничение было снято.
Ключевое преимущество FeRAM перед DRAM заключается в том, что происходит между циклами чтения и записи. В DRAM заряд, осажденный на металлических пластинах, протекает через изолирующий слой и управляющий транзистор и исчезает. Чтобы DRAM могла хранить данные в течение какого-либо периода времени, кроме очень короткого, каждая ячейка должна периодически считываться, а затем перезаписываться — процесс, известный как обновление . Каждая ячейка должна обновляться много раз в секунду (обычно 16 раз в секунду [15] ), и для этого требуется непрерывная подача энергии.
Напротив, FeRAM требует питания только при фактическом чтении или записи ячейки. Подавляющее большинство энергии, используемой в DRAM, используется для обновления, поэтому кажется разумным предположить, что тест, указанный исследователями STT-MRAM, полезен и здесь, показывая, что энергопотребление примерно на 99% ниже, чем у DRAM. Однако деструктивный аспект чтения FeRAM может поставить его в невыгодное положение по сравнению с MRAM .
Другой тип энергонезависимой памяти — флэш-память , и, как и FeRAM, он не требует процесса обновления. Вспышка работает, проталкивая электроны через высококачественный изолирующий барьер, где они «застревают» на одном выводе транзистора . Этот процесс требует высокого напряжения, которое со временем накапливается 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 мощность чтения. Для устройства с «преимущественно чтением» разница может быть незначительной, но для устройств с более сбалансированным чтением и записью разница может быть намного выше.
Надежность данных гарантирована в F-RAM даже в условиях сильного магнитного поля по сравнению с MRAM . Устройства F-RAM компании Cypress Semiconductor [16] невосприимчивы к сильным магнитным полям и не демонстрируют каких-либо сбоев при максимально доступной напряженности магнитного поля (3700 Гаусс при горизонтальной установке и 2000 Гаусс при вертикальной установке). 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 расходоваться (для чтения) или сохраняться (для записи). В общем, это определяется возможностями управляющих транзисторов, емкостью линий, передающих энергию к ячейкам, и теплом, которое генерирует эта энергия.
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 мощность, электрические задержки и задержки переключения, вероятно, в целом будут аналогичны DRAM. Кажется разумным предположить, что FeRAM потребует меньше заряда, чем DRAM, поскольку DRAM необходимо удерживать заряд , тогда как запись в FeRAM будет осуществляться до того, как заряд разрядится. Однако запись происходит с задержкой, поскольку заряду приходится проходить через управляющий транзистор, что несколько ограничивает ток.
In comparison to flash, the advantages are much more obvious. Whereas the read operation is likely to be similar in speed, the charge pump used for writing requires a considerable time to "build up" current, a process that FeRAM does not need. Flash memories commonly need a millisecond or more to complete a write, whereas current FeRAMs may complete a write in less than 150 ns.
On the other hand, FeRAM has its own reliability issues, including imprint and fatigue. Imprint is the preferential polarization state from previous writes to that state, and fatigue is the increase of minimum writing voltage due to loss of polarization after extensive cycling.
The theoretical speed of FeRAM is not entirely clear. Existing 350 nm devices have read times on the order of 50–60 ns. Although slow compared to modern DRAMs, which can be found with times on the order of 2 ns, common 350 nm DRAMs operated with a read time of about 35 ns,[17] so FeRAM speed appears to be comparable given the same fabrication technology.
FeRAM остается относительно небольшой частью общего рынка полупроводников. В 2005 году мировые продажи полупроводников составили 235 миллиардов долларов США (по данным Gartner Group ), при этом рынок флэш-памяти составил 18,6 миллиардов долларов США (по данным IC Insights). [ нужна цитата ] Годовой объем продаж Ramtron, возможно, крупнейшего поставщика FeRAM, в 2005 году составил 32,7 миллиона долларов США. Гораздо большие продажи флэш-памяти по сравнению с альтернативными NVRAM способствуют гораздо более масштабным исследованиям и разработкам. Флэш-память производится с использованием полупроводниковой ширины линии 30 нм на предприятии Samsung (2007 г.), тогда как FeRAM производятся с шириной линии полупроводников 350 нм на заводе Fujitsu и 130 нм на заводе Texas Instruments (2007 г.). Ячейки флэш-памяти могут хранить несколько битов на ячейку (в настоящее время 4 в флэш-устройствах NAND с самой высокой плотностью), а количество бит на флэш-ячейку, согласно прогнозам, увеличится до 8 в результате инноваций в конструкции флэш-ячейки. Как следствие, плотность битов флэш-памяти намного выше, чем у FeRAM, и, таким образом, стоимость бита флэш-памяти на порядки ниже, чем у FeRAM.
Плотность массивов FeRAM может быть увеличена за счет усовершенствований технологии литья FeRAM и структур ячеек, таких как разработка вертикальных конденсаторных структур (так же, как DRAM) для уменьшения площади занимаемой 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 ими) счетчики электроэнергии , [24] автомобильную промышленность (например, черные ящики , интеллектуальные подушки безопасности ), бизнес-машины (например, принтеры, дисковые контроллеры RAID ). , контрольно-измерительные приборы, медицинское оборудование, промышленные микроконтроллеры и метки радиочастотной идентификации . Другие новые NVRAM, такие как MRAM, могут попытаться выйти на аналогичные нишевые рынки, конкурируя с FeRAM.
Компания Texas Instruments доказала возможность встраивания ячеек FeRAM с использованием двух дополнительных этапов маскировки во время обычного производства полупроводниковых КМОП-матриц . Для вспышки обычно требуется девять масок. Это делает возможным, например, интеграцию FeRAM в микроконтроллеры, где упрощенный процесс позволит снизить затраты. Однако материалы, используемые для изготовления FeRAM, обычно не используются в производстве интегральных схем КМОП. Как сегнетоэлектрический слой PZT, так и благородные металлы, используемые для электродов, вызывают проблемы совместимости и загрязнения процесса КМОП. Компания Texas Instruments включила некоторое количество памяти FRAM в свои микроконтроллеры MSP430 в своей новой серии FRAM. [25]
По состоянию на 2021 год разные производители продавали чипы с объемом памяти (плотностью) не более 16 МБ. [26]
В условиях самого большого объёма использования энергонезависимых сегнетоэлектрических ОЗУ (FRAM) производитель видеоигр Sega поставил несколько миллионов копий своей новой игры «Sonic the Hedgehog III», которая включает FRAMS от Ramtron International Corp для сохранения игры. между сессиями.
Гарантия на FRAM составляет не менее 10 000 000 000 циклов записи.