Войти
FeRAM от Ramtron Сегнетоэлектрическое ОЗУ (FeRAM, F-RAM или FRAM ) представляет собой оперативную память, аналогичную по конструкции DRAM, но использующую сегнетоэлектрик вместо слоя диэлектрика для достижения энергонезависимости. FeRAM - одна из постоянно растущего числа альтернативных технологий энергонезависимой памяти с произвольным доступом, которые предлагают те же функции, что и флэш-память.
. Преимущества FeRAM перед Flash включают: меньшее энергопотребление, более высокую производительность записи и гораздо более высокая максимальная выносливость чтения / записи (от 10 до 10 циклов). Время хранения данных FeRAM составляет более 10 лет при +85 ° C (до многих десятилетий при более низких температурах). Недостатки FeRAM на рынке - это гораздо более низкая плотность хранения, чем у флеш-накопителей, ограничения емкости и более высокая стоимость. Как и DRAM, процесс чтения FeRAM является деструктивным и требует архитектуры записи после чтения.
Сегнетоэлектрическое RAM было предложено MIT аспирантом Дадли Алленом Баком в его магистерской диссертации «Сегнетоэлектрики» for Digital Information Storage and Switching, опубликованный в 1952 году. Это было в эпоху обмена исследованиями между членами научного сообщества как средства быстрого продвижения технологических инноваций во время быстрого наращивания вычислительной мощности в эпоху холодной войны. В 1955 году Bell Telephone Laboratories проводила эксперименты с памятью на основе сегнетоэлектрических кристаллов. После появления в начале 1970-х микросхем металл-оксид-полупроводник (MOS) с динамической оперативной памятью (DRAM ), разработка FeRAM началась в конец 1980-х. В 1991 г. в Лаборатории реактивного движения НАСА (JPL) была проделана работа по совершенствованию методов считывания, включая новый метод неразрушающего считывания с использованием импульсов УФ-излучения. 119>
FeRAM был коммерциализирован в конце 1990-х годов. В 1996 году Samsung Electronics представила 4 Мб чип FeRAM , изготовленный с использованием логики NMOS. В 1998 году Hyundai Electronics (ныне SK Hynix ) также коммерциализировала технологию FeRAM. Самый ранний известный коммерческий продукт, использующий FeRAM, - это Sony PlayStation 2 (PS2), выпущенный в 2000 году. Аппаратный продукт PS2 Emotion Engine центральный процессор (ЦП) производства Toshiba содержит 32 кб встроенной памяти FeRAM, изготовленной с использованием дополнительной 500 нм Процесс MOS (CMOS).
Крупнейшим современным производителем FeRAM является Ramtron, компания по производству полупроводников без фабрик. Одним из основных лицензиатов является Fujitsu, которая управляет, вероятно, крупнейшей производственной линией по производству полупроводников литейным производством с поддержкой FeRAM. С 1999 года они используют эту линию для производства автономных FeRAM, а также специализированных микросхем (например, чипов для смарт-карт) со встроенными FeRAM. Fujitsu производила устройства для Ramtron до 2010 года. С 2010 года производителями Ramtron были 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 Ramtron сообщил, что они оценивают опытные образцы 8-мегабитного FeRAM, изготовленного с использованием процесса FeRAM от Texas Instruments. Fujitsu и Seiko-Epson в 2005 году совместно разрабатывали 180-нм процесс FeRAM. В 2012 году Ramtron был приобретен Cypress Semiconductor. Об исследовательских проектах FeRAM также сообщалось в Samsung, Matsushita, Oki, Toshiba, Infineon, <62.>Hynix, Symetrix, Кембриджский университет, Университет Торонто и Межвузовский центр микроэлектроники (IMEC, Бельгия ).
Структура ячейки FeRAM Обычная DRAM состоит из сетки небольших конденсаторов и связанных с ними проводов и сигнальных транзисторов. Каждый элемент памяти, ячейка, состоит из одного конденсатора и одного транзистора, так называемого устройства «1T-1C». Обычно это тип MOS-памяти, изготовленный с использованием технологии CMOS. Ячейки DRAM масштабируются непосредственно в соответствии с размером процесса производства полупроводников, использованного для его изготовления. Например, для процесса 90 нм, используемого большинством поставщиков памяти для создания DDR2 DRAM, размер ячейки составляет 0,22 мкм², включая конденсатор, транзистор, проводку и некоторое количество «пустого пространства» между различными частями - кажется 35 % использования является типичным, 65% пространства остается пустым (для разделения).
Данные DRAM хранятся как наличие или отсутствие электрического заряда в конденсаторе, при этом отсутствие заряда в целом представляет собой «0». Запись выполняется путем активации соответствующего управляющего транзистора, осушения ячейки, чтобы записать «0», или посылки тока в нее из линии питания, если новое значение должно быть «1». Чтение похоже по своей природе; транзистор снова активируется, сливая заряд на усилитель считывания. Если в усилителе замечается импульс заряда, ячейка удерживает заряд и, следовательно, показывает «1»; отсутствие такого импульса указывает на «0». Обратите внимание, что этот процесс деструктивен, как только ячейка была прочитана. Если на нем действительно стоит «1», его необходимо повторно зарядить до этого значения. Поскольку аккумулятор теряет заряд через некоторое время из-за токов утечки, его необходимо периодически обновлять.
Конструкция ячейки памяти 1T-1C в FeRAM аналогична конструкции ячейки памяти в широко используемом DRAM в том, что 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 кажущимся накопленным зарядом. В частности, сегнетоэлектрическая характеристика имеет форму петли гистерезиса , которая очень похожа по форме на петлю гистерезиса ферромагнитных материалов. диэлектрическая постоянная сегнетоэлектрика обычно намного выше, чем у линейного диэлектрика из-за эффектов полупостоянных электрических диполей, сформированных в кристаллической структуре сегнетоэлектрический материал. Когда к диэлектрику прикладывается внешнее электрическое поле, диполи стремятся выровняться с направлением поля, создаваемое небольшими сдвигами в положениях атомов и сдвигами в распределении электронного заряда в кристаллической структуре. После снятия заряда диполи сохраняют состояние поляризации. Двоичные «0» и «1» хранятся как одна из двух возможных электрических поляризаций в каждой ячейке хранения данных. Например, на рисунке «1» кодируется с использованием отрицательной остаточной поляризации «-Pr», а «0» кодируется с использованием положительной остаточной поляризации «+ Pr».
С точки зрения работы FeRAM аналогичен DRAM. Запись осуществляется путем приложения поля к сегнетоэлектрическому слою, заряжая пластины по обе стороны от него, заставляя атомы внутри ориентироваться «вверх» или «вниз» (в зависимости от полярности заряда), тем самым сохраняя «1». "или" 0 ". Однако чтение несколько отличается от чтения в DRAM. Транзистор переводит ячейку в определенное состояние, скажем «0». Если в ячейке уже находится «0», в строках вывода ничего не произойдет. Если ячейка держала «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 ячейка имеет «1». Поскольку этот процесс перезаписывает ячейку, чтение FeRAM является деструктивным процессом и требует перезаписи ячейки.
В целом, FeRAM работает аналогично 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 работает намного быстрее.
Основным фактором, определяющим стоимость системы памяти, является плотность компонентов, используемых для ее создания. Компоненты меньшего размера и их меньшее количество означают, что на одном кристалле можно разместить больше ячеек, что, в свою очередь, означает, что на одной кремниевой пластине можно производить больше ячеек за один раз. Это повышает доходность, которая напрямую связана с затратами.
Нижний предел этого процесса масштабирования - важный момент для сравнения. В общем, технология, которая масштабируется до наименьшего размера ячейки, в конечном итоге будет самой дешевой за бит. С точки зрения конструкции FeRAM и DRAM схожи и, как правило, могут быть построены на аналогичных линиях с аналогичными размерами. В обоих случаях нижний предел определяется количеством заряда, необходимого для запуска усилителей считывания. Для DRAM это, по-видимому, проблема на длине волны около 55 нм, и в этот момент 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, как правило, перестают быть сегнетоэлектрическими, когда они слишком малы. (Этот эффект связан с «полем деполяризации» сегнетоэлектрика.) Продолжаются исследования по решению проблемы стабилизации сегнетоэлектрических материалов; в одном подходе, например, используются молекулярные адсорбаты.
На сегодняшний день производятся коммерческие устройства FeRAM с длиной волны 350 нм и 130 нм. Ранние модели требовали двух ячеек FeRAM на бит, что приводило к очень низкой плотности, но с тех пор это ограничение было снято.
Ключевым преимуществом FeRAM над DRAM является то, что происходит между циклами чтения и записи. В DRAM заряд, нанесенный на металлические пластины, протекает через изолирующий слой и управляющий транзистор и исчезает. Чтобы DRAM могла хранить данные для чего-либо, кроме очень короткого времени, каждая ячейка должна периодически считываться, а затем перезаписываться, процесс, известный как обновление. Каждую ячейку необходимо обновлять много раз в секунду (обычно 16 раз в секунду), а для этого требуется постоянная 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 эталонный тест, указанный исследователями STT-MRAM, также полезен и здесь, показывая, что 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 - это флэш-ОЗУ, 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 высоких напряжений, которые со временем накапливаются в зарядном 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 при чтении. Для устройств, которые "в основном читают", разница может быть небольшой, но для устройств с более сбалансированным чтением и записью можно ожидать, что разница будет намного больше.
Производительность DRAM ограничена скоростью, с которой заряд, хранящийся в ячейках, может быть истощен (для чтения) или сохранен (для записи). В общем, это в конечном итоге определяется возможностями управляющих транзисторов, емкостью линий, передающих энергию к элементам, и теплом, которое генерирует мощность.
FeRAM основан на физическом движении атомов в ответ на внешнее поле, которое происходит очень быстро и устанавливается примерно за 1 нс. Теоретически это означает, что FeRAM может быть намного быстрее DRAM. Однако, поскольку для чтения и записи мощность должна поступать в ячейку, электрические задержки и задержки переключения, вероятно, будут в целом аналогичны DRAM. Кажется разумным предположить, что FeRAM потребует меньше заряда, чем DRAM, потому что DRAM должны удерживать заряд, тогда как FeRAM была бы записана до того, как заряд был бы истощен. Однако запись происходит с задержкой, поскольку заряд должен проходить через управляющий транзистор, что несколько ограничивает ток.
По сравнению со вспышкой преимущества гораздо более очевидны. В то время как операция чтения, вероятно, будет схожей по производительности, накачка заряда, используемая для записи, требует значительного времени для «нарастания» тока, процесса, в котором FeRAM не нуждается. 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 по сравнению с предыдущими записями в это состояние, а усталость - это увеличение минимального напряжения записи из-за потери поляризации после продолжительного цикла.
Теоретическая производительность FeRAM не совсем ясна. Существующие 350-нм устройства имеют время считывания порядка 50–60 нс. Несмотря на то, что они медленные по сравнению с современными DRAM, которые можно найти со временем порядка 2 нс, обычные 350 нм DRAM работали со временем чтения около 35 нс, поэтому производительность FeRAM кажется сопоставимой при 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 ), при этом на рынок флэш-памяти приходилось 18,6 миллиардов долларов США (по данным IC Insights). Годовой объем продаж Ramtron, возможно, крупнейшего поставщика FeRAM в 2005 году, составил 32,7 миллиона долларов США. Значительно больший объем продаж флэш-памяти по сравнению с альтернативными энергонезависимыми ОЗУ требует гораздо больших усилий по исследованиям и разработкам. Флэш-память производится с использованием полупроводниковой линии с шириной линии 30 нм в Samsung (2007), тогда как FeRAM производятся с шириной линии 350 нм в Fujitsu и 130 нм в Texas Instruments (2007). Ячейки флэш-памяти могут хранить несколько битов на ячейку (в настоящее время 3 в флэш-устройствах NAND с самой высокой плотностью), а количество битов на флэш-ячейку, по прогнозам, увеличится до 4 или даже до 8 в результате инноваций в конструкции флэш-ячеек. Как следствие, удельная плотность флэш-памяти намного выше, чем у FeRAM, и, следовательно, стоимость одного бита флэш-памяти на несколько порядков ниже, чем у FeRAM.
Плотность массивов FeRAM может быть увеличена за счет усовершенствования технологии производства FeRAM и структур ячеек, таких как разработка вертикальных конденсаторных структур (так же, как DRAM) для уменьшения площади, занимаемой ячейками. Однако уменьшение размера ячейки может привести к тому, что сигнал данных станет слишком слабым, чтобы его можно было обнаружить. В 2005 году Ramtron сообщил о значительных продажах своей продукции FeRAM в различных секторах, включая (но не ограничиваясь) счетчики электроэнергии, автомобилестроение (например, черные ящики, интеллектуальные подушки безопасности ), бизнес-машины (например, принтеры, RAID контроллеры дисков), контрольно-измерительные приборы, медицинское оборудование, промышленные микроконтроллеры и теги радиочастотной идентификации. Другие развивающиеся 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 при производстве обычных КМОП-полупроводников. Для Flash обычно требуется девять масок. Это делает возможным, например, интеграцию FeRAM в микроконтроллеры, где упрощенный процесс снизит затраты. Однако материалы, используемые для изготовления FeRAM, обычно не используются в производстве КМОП интегральных схем. Как сегнетоэлектрический слой PZT, так и благородные металлы, используемые для электродов, вызывают проблемы совместимости КМОП-процессов и загрязнения. Texas Instruments включила часть памяти FRAM в свои микроконтроллеры MSP430 в своей новой серии FRAM.
