Ferroelektrická RAM - Ferroelectric RAM

FeRAM od společnosti Ramtron

Fram-ferroe-elektrický kondenzátor

Ferroelektrická paměť RAM ( FeRAM , F-RAM nebo FRAM ) je paměť s náhodným přístupem podobná konstrukci jako DRAM, ale k dosažení stálé volatility využívá místo dielektrické vrstvy feroelektrickou vrstvu . FeRAM je jednou z rostoucího počtu alternativních energeticky nezávislých paměťových technologií s náhodným přístupem, které nabízejí stejné funkce jako flash paměti . Čip F-RAM obsahuje tenkou feroelektrickou fólii titaničitanu zirkoničitanu olovnatého, běžně označovanou jako PZT. Atomy v PZT mění polaritu v elektrickém poli, čímž vytvářejí energeticky účinný binární spínač. Nejdůležitějším aspektem PZT je však to, že není ovlivněn přerušením napájení nebo magnetickým rušením, což z F-RAM dělá spolehlivou energeticky nezávislou paměť.

Mezi výhody FeRAM oproti Flash patří: nižší spotřeba energie, rychlejší výkon zápisu a mnohem větší maximální výdrž čtení/zápisu (asi 10 ¹⁰ až 10 ¹⁴ cyklů). FeRAMy mají dobu uchování dat více než 10 let při +85 ° C (až několik desetiletí při nižších teplotách). Trhové nevýhody FeRAM jsou mnohem nižší hustoty úložiště než flash zařízení, omezení kapacity úložiště a vyšší náklady. Stejně jako DRAM je proces čtení FeRAMu destruktivní, což vyžaduje architekturu zápisu po čtení.

Dějiny

Ferroelektrickou RAM navrhl postgraduální student MIT Dudley Allen Buck ve své diplomové práci Ferroelectrics for Digital Information Storage and Switching, publikované v roce 1952. To bylo v éře sdílení výzkumu mezi členy vědecké komunity jako prostředku k rychlému pohonu technologických inovací během rychlého nárůstu výpočetního výkonu v éře studené války. V roce 1955 společnost Bell Telephone Laboratories experimentovala s paměťmi s feroelektrickými krystaly. Po zavedení čipů dynamické paměti s náhodným přístupem ( DRAM ) na bázi oxidů kovů a polovodičů (MOS) na začátku 70. let 20. století začal vývoj FeRAM koncem 80. let. Práce byla provedena v roce 1991 na NASA je laboratoř tryskového pohonu (JPL) na zlepšení metod přečíst, včetně nového způsobu nedestruktivního odečítání použití pulzy UV záření.

FeRAM byl uveden na trh na konci 90. let minulého století. V roce 1996, Samsung Electronics představil 4 Mb FeRAM chip vyrobeny s použitím NMOS . V roce 1998 společnost Hyundai Electronics (nyní SK Hynix ) také uvedla na trh technologii FeRAM. Nejdříve známý komerční produkt použít FeRAM je Sony s PS2 Paměťová karta (8 MB) , vydané v roce 2000 na paměťové kartě mikrokontroléru (MCU), vyráběného firmou Toshiba obsahuje 32 kb vložené FeRAM vyrobeny za použití 500 nm komplementární MOS (CMOS) proces.

Hlavním moderním výrobcem FeRAM je Ramtron , bezvadná polovodičová společnost . Jedním z hlavních držitelů licence je společnost Fujitsu , která provozuje pravděpodobně největší výrobní linku polovodičových sléváren s funkcí FeRAM. Od roku 1999 tuto linku používají k výrobě samostatných FeRAMů a specializovaných čipů (např. Čipů pro čipové karty) s vloženými FeRAMy. Společnost Fujitsu vyráběla zařízení pro společnost Ramtron do roku 2010. Od roku 2010 jsou výrobci společnosti Ramtron společnosti TI (Texas Instruments) a IBM. Od roku 2001 spolupracuje společnost Texas Instruments se společností Ramtron na vývoji testovacích čipů FeRAM v upraveném procesu 130 nm. Na podzim roku 2005 společnost Ramtron oznámila, že hodnotí prototypy vzorků 8megabitového FeRAM vyrobeného postupem FeRAM společnosti Texas Instruments. Společnosti Fujitsu a Seiko-Epson v roce 2005 spolupracovaly na vývoji 180nm FeRAM procesu. V roce 2012 získala společnost Ramtron společnost Cypress Semiconductor . Výzkumné projekty FeRAM byly také hlášeny ve společnostech Samsung , Matsushita , Oki , Toshiba , Infineon , Hynix , Symetrix, Cambridge University , University of Toronto a Interuniversity Microelectronics Center (IMEC, Belgie ).

Popis

Struktura buňky FeRAM

Konvenční paměť DRAM se skládá ze sítě malých kondenzátorů a s nimi spojených elektroinstalačních a signalizačních tranzistorů . Každý úložný prvek, článek , se skládá z jednoho kondenzátoru a jednoho tranzistoru, takzvaného zařízení „1T-1C“. Obvykle se jedná o typ paměti MOS , vyrobené pomocí technologie CMOS . Buňky DRAM se škálují přímo podle velikosti procesu výroby polovodičů, který se k jejich výrobě používá. Například u 90nm procesu, který většina poskytovatelů paměti používá k výrobě DDR2 DRAM, je velikost buňky 0,22 μm², což zahrnuje kondenzátor, tranzistor, zapojení a určité množství „prázdného prostoru“ mezi různými částmi - zdá se 35 Typické je% využití, přičemž 65% prostoru zůstává prázdného (pro oddělení).

Data DRAM jsou uložena jako přítomnost nebo nedostatek elektrického náboje v kondenzátoru, přičemž nedostatek nabití obecně představuje „0“. Zápis se provádí aktivací přidruženého řídicího tranzistoru, vyčerpáním buňky pro zápis „0“ nebo odesláním proudu do něj z napájecího vedení, pokud by nová hodnota měla být „1“. Čtení má podobnou povahu; tranzistor je opět aktivován a vybije náboj do smyslového zesilovače . Pokud je v zesilovači zaznamenán puls náboje, buňka udržela náboj a čte tedy „1“; nedostatek takového pulsu indikuje „0“. Jakmile je buňka přečtena , je tento proces destruktivní . Pokud obsahovalo „1“, musí být na tuto hodnotu znovu nabito. Protože buňka po nějaké době ztrácí svůj náboj v důsledku svodových proudů, musí být aktivně obnovována v intervalech.

Konstrukce paměťových buněk 1T-1C ve FeRAM je konstrukčně podobná skladovací buňce v široce používané DRAM v tom, že oba typy článků obsahují jeden kondenzátor a jeden přístupový tranzistor. V kondenzátoru s článkem DRAM se používá lineární dielektrikum, zatímco v kondenzátoru s článkem FeRAM dielektrická struktura obsahuje feroelektrický materiál , obvykle titaničitan zirkoničitý olovnatý (PZT).

Feroelektrický materiál má nelineární vztah mezi aplikovaným elektrickým polem a zjevně uloženým nábojem. Konkrétně má feroelektrická charakteristika formu hysterezní smyčky, která je tvarem velmi podobná hysterezní smyčce feromagnetických materiálů. Dielektrická konstanta ze feroelektrické je obvykle mnohem vyšší, než je lineární dielektrika z důvodu účinků semipermanentní elektrických dipólů vytvořených v krystalové struktuře z feroelektrického materiálu. Když je na dielektrikum aplikováno vnější elektrické pole, dipóly mají tendenci se vyrovnat se směrem pole, které vzniká malými posuny v polohách atomů a posuny v distribucích elektronického náboje v krystalové struktuře. Po odstranění náboje si dipóly zachovávají svůj polarizační stav. Binární „0“ s a „1“ s jsou uloženy jako jedna ze dvou možných elektrických polarizací v každé buňce pro ukládání dat. Například na obrázku je „1“ kódováno pomocí negativní polarizace zbytku „-Pr“ a „0“ je kódováno pomocí pozitivního zbytku polarizace „+Pr“.

Provozně je FeRAM podobný DRAM. Zápis se provádí nanesením pole přes feroelektrickou vrstvu nabitím desek na obou stranách, vnucením atomů dovnitř do orientace „nahoru“ nebo „dolů“ (v závislosti na polaritě náboje), čímž se uloží „1 “nebo„ 0 “. Čtení je ale poněkud jiné než v DRAM. Tranzistor nutí buňku do určitého stavu, řekněme „0“. Pokud buňka již obsahovala „0“, ve výstupních řádcích se nic nestane. Pokud buňka držela „1“, přesměrování atomů ve filmu způsobí krátký proudový proud na výstupu, když vytlačují elektrony z kovu na „dolů“ straně. Přítomnost tohoto pulzu znamená, že buňka má „1“. Protože tento proces přepíše buňku, čtení FeRAM je destruktivní proces a vyžaduje přepsání buňky.

Obecně je provoz FeRAM podobný feritové jádrové paměti , jedné z hlavních forem počítačové paměti v šedesátých letech minulého století. Ve srovnání s jádrovou pamětí však FeRAM vyžaduje mnohem méně energie k převrácení stavu polarity a dělá to mnohem rychleji.

Srovnání s jinými typy paměti

Hustota

Hlavním determinantem nákladů na paměťový systém je hustota komponent použitých k jeho vytvoření. Menší součásti a méně z nich znamená, že na jeden čip lze sbalit více buněk, což zase znamená, že z jedné křemíkové destičky lze vyrobit více najednou. To zlepšuje výnos, který přímo souvisí s náklady.

Spodní hranice tohoto procesu škálování je důležitým bodem srovnání. Obecně platí, že technologie, která se škáluje na nejmenší velikost buňky, bude nakonec nejméně nákladná na bit. Z hlediska konstrukce jsou FeRAM a DRAM podobné a obecně je lze stavět na podobných linkách podobných velikostí. V obou případech se zdá, že dolní mez je definována množstvím náboje potřebného ke spuštění zesilovačů smyslu. U DRAM se to zdá být problém kolem 55 nm, v tomto okamžiku je náboj uložený v kondenzátoru příliš malý na to, aby byl detekován. Není jasné, zda lze FeRAM škálovat na stejnou velikost, protože hustota náboje vrstvy PZT nemusí být stejná jako kovové desky v normálním kondenzátoru.

Dalším omezením velikosti je, že materiály obvykle přestávají být feroelektrické, pokud jsou příliš malé. (Tento efekt souvisí s „depolarizačním polem“ feroelektrika.) Probíhá výzkum zaměřený na řešení problému stabilizace feroelektrických materiálů; jeden přístup například používá molekulární adsorbáty.

Dosud byla komerční zařízení FeRAM vyráběna při 350 nm a 130 nm. Dřívější modely vyžadovaly dvě buňky FeRAM na bit, což vedlo k velmi nízké hustotě, ale toto omezení bylo od té doby odstraněno.

Spotřeba energie

Klíčovou výhodou FeRAM oproti DRAM je to, co se stane mezi cykly čtení a zápisu. V DRAMu náboj uložený na kovových deskách uniká přes izolační vrstvu a řídicí tranzistor a zmizí. Aby mohla paměť DRAM ukládat data pro cokoli jiného než velmi krátkou dobu, musí být každá buňka pravidelně čtena a poté přepsána, což je proces známý jako aktualizace . Každý článek musí být obnovován mnohokrát každou sekundu (obvykle 16krát za sekundu) a to vyžaduje nepřetržitý přísun energie.

Naproti tomu FeRAM vyžaduje napájení pouze při skutečném čtení nebo zápisu buňky. Převážná většina energie použité v DRAM se používá k obnově, takže se zdá rozumné navrhnout, že benchmark citovaný výzkumníky STT-MRAM je užitečný i zde, což naznačuje spotřebu energie asi o 99% nižší než DRAM. Aspekt destruktivního čtení FeRAM jej však může ve srovnání s MRAM znevýhodnit .

Dalším typem energeticky nezávislé paměti je flash RAM a jako FeRAM nevyžaduje proces obnovy. Flash funguje tak, že tlačí elektrony přes kvalitní izolační bariéru, kde se „zaseknou“ na jednom terminálu tranzistoru . Tento proces vyžaduje vysoké napětí, které se časem vytvoří v nabíjecí pumpě . To znamená, že by se dalo očekávat, že FeRAM bude mít nižší výkon než flash, alespoň pro zápis, protože zápisový výkon ve FeRAM je jen nepatrně vyšší než čtení. U zařízení „většinou čtených“ může být rozdíl nepatrný, ale u zařízení s vyváženějším čtením a zápisem lze očekávat, že rozdíl bude mnohem vyšší.

Spolehlivost

Ve F-RAM je ve srovnání s MRAM zaručena spolehlivost dat i v prostředí s vysokým magnetickým polem . Zařízení F-RAM společnosti Cypress Semiconductor jsou odolná vůči silným magnetickým polím a nevykazují žádné poruchy pod maximálními dostupnými silami magnetického pole (3 700 Gaussů pro horizontální vložení a 2 000 Gaussů pro vertikální vkládání). Zařízení F-RAM navíc umožňují přepisovat po vystavení magnetickým polím jiným datovým vzorem

Výkon

Výkon DRAM je omezen rychlostí, jakou lze náboj uložený v buňkách vybít (pro čtení) nebo uložit (pro zápis). Obecně je to nakonec definováno schopností řídicích tranzistorů, kapacitou vedení vedoucích energii do článků a teplem, které energie generuje.

FeRAM je založen na fyzickém pohybu atomů v reakci na vnější pole, které je extrémně rychlé a usazuje se přibližně za 1 ns. Teoreticky to znamená, že FeRAM může být mnohem rychlejší než DRAM. Protože však musí do buňky proudit energie pro čtení a zápis, elektrická a spínací zpoždění by byla celkově pravděpodobně podobná DRAM. Zdá se rozumné naznačovat, že FeRAM bude vyžadovat menší náboj než DRAM, protože DRAM musí udržovat náboj, zatímco FeRAM by byl zapsán před vybitím náboje. Při psaní však dochází ke zpoždění, protože náboj musí protékat řídícím tranzistorem, který proud poněkud omezuje.

Ve srovnání s bleskem jsou výhody mnohem zjevnější. Zatímco operace čtení je pravděpodobně podobná výkonu, nabíjecí pumpa používaná pro zápis vyžaduje značný čas na „vybudování“ proudu, což proces, který FeRAM nepotřebuje. Flash paměti obvykle potřebují k dokončení zápisu milisekundu nebo více, zatímco současné FeRAMy mohou dokončit zápis za méně než 150 ns.

Na druhou stranu má FeRAM své vlastní problémy se spolehlivostí, včetně otisku a únavy. Otisk je preferenční stav polarizace z předchozích zápisů do tohoto stavu a únava je nárůst minimálního zapisovacího napětí v důsledku ztráty polarizace po rozsáhlém cyklování.

Teoretický výkon FeRAM není zcela jasný. Stávající 350 nm zařízení mají doby čtení řádově 50–60 ns. Ačkoli jsou pomalé ve srovnání s moderními DRAM, které lze nalézt s časy řádově 2 ns, běžné 350 nm DRAM fungovaly s dobou čtení přibližně 35 ns, takže výkon FeRAM se zdá být srovnatelný vzhledem ke stejné technologii výroby.

Aplikace

Datalogger v přenosných/implantabilních zdravotnických zařízeních, protože FRAM spotřebovává méně energie ve srovnání s jinými energeticky nezávislými pamětmi, jako je EEPROM
Záznamník dat událostí v automobilových systémech k zachycení důležitých systémových dat i v případě selhání nebo selhání
FRAM používá inteligentní měřiče pro rychlý zápis a vysokou výdrž
V Industrial PLC je FRAM ideální náhradou za SRAM (BBSRAM) a EEPROM s bateriovým napájením pro protokolování strojních dat, jako je poloha CNC nástroje atd.

Srovnání s jinými typy vzpomínek

	Feroelektrická RAM	Magnetorezistivní paměť s náhodným přístupem	nvSRAM	BBSRAM
Technika	Základním úložným prvkem je feroelektrický kondenzátor. Kondenzátor lze polarizovat nahoru nebo dolů působením elektrického pole	Podobně jako feroelektrická RAM, ale atomy se vyrovnávají ve směru vnější magnetické síly . Tento efekt se používá k ukládání dat	Má energeticky nezávislé prvky spolu s vysoce výkonným SRAM	Má externí zdroj energie lithia pro napájení, když je externí napájení vypnuté
Uchování dat	10 let	20 let	20 let	7 let, v závislosti na baterii a okolní teplotě
Vytrvalost	10 ¹⁰ až 10 ¹⁴	10 ⁸	Neomezený	Omezený
Rychlost (nejlepší)	55 ns	35 ns	15–45 ns	70–100 ns

Celkově

FeRAM zůstává relativně malou částí celkového trhu s polovodiči. V roce 2005 činily celosvětové prodeje polovodičů 235 miliard USD (podle Gartner Group ), přičemž trh s flash pamětí představoval 18,6 miliardy USD (podle IC Insights). Roční tržby společnosti Ramtron, pravděpodobně největšího prodejce FeRAM, v roce 2005 byly hlášeny 32,7 milionu USD. Mnohem větší prodeje flash pamětí ve srovnání s alternativními NVRAM podporují mnohem větší úsilí v oblasti výzkumu a vývoje. Flash paměť se vyrábí pomocí polovodičových šířek čar 30 nm u Samsungu (2007), zatímco FeRAMy se vyrábějí v šířkách 350 nm u Fujitsu a 130 nm u Texas Instruments (2007). Buňky flash paměti mohou ukládat více bitů na buňku (v současné době 3 v flash zařízeních s nejvyšší hustotou NAND) a počet bitů na flash buňku se v důsledku inovací v konstrukci flash buněk podle projekcí zvýší na 4 nebo dokonce na 8. V důsledku toho jsou plošné bitové hustoty flash paměti mnohem vyšší než hustoty FeRAM, a proto jsou náklady na bit flash paměti řádově nižší než u FeRAM.

Hustotu polí FeRAM lze zvýšit vylepšením technologie slévárenského procesu FeRAM a buněčných struktur, jako je vývoj svislých kondenzátorových struktur (stejným způsobem jako DRAM) za účelem zmenšení plochy stopy buňky. Zmenšení velikosti buňky však může způsobit, že datový signál bude příliš slabý, než aby byl detekovatelný. V roce 2005 společnost Ramtron vykázala významné prodeje svých produktů FeRAM v různých odvětvích včetně (ale nejen) elektroměrů , automobilového průmyslu (např. Černé skříňky , inteligentní airbagy ), obchodních strojů (např. Tiskárny, řadiče disků RAID ), přístrojového vybavení, lékařské vybavení, průmyslové mikrokontroléry a radiofrekvenční identifikační štítky. Ostatní rozvíjející se NVRAM, jako je MRAM, se mohou snažit vstoupit na podobné specializované trhy v soutěži s FeRAM.

Společnost Texas Instruments prokázala, že je možné zabudovat články FeRAM pomocí dvou dalších maskovacích kroků během konvenční výroby polovodičů CMOS. Flash obvykle vyžaduje devět masek. To umožňuje například integraci FeRAM do mikrokontrolérů, kde by zjednodušený proces snížil náklady. Materiály použité k výrobě FeRAM se však při výrobě integrovaných obvodů CMOS běžně nepoužívají. Feroelektrická vrstva PZT i ušlechtilé kovy používané pro elektrody vyvolávají problémy s kompatibilitou a kontaminací procesu CMOS. Společnost Texas Instruments do své nové řady FRAM začlenila do svých mikrokontrolérů MSP430 množství paměti FRAM.

Languages

In other projects