Энергонезависимая память RAMTRON
Немного истории. Появлению энергонезависимой памяти FRAM предшествовал ряд открытий. Начало было положено в далеком 1756 году, когда Франц Ульрих Теодор Эпинус - немецкий ученый, принявший российское подданство, открыл полярную электризацию турмалина при нагревании (пироэлектричество).
Кристаллы турмалина электролизуются при нагревании, трении, давлении, причем один конец кристалла заряжается положительно, другой — отрицательно. В 1881 году, французские физики братья Жак и Пьер Кюри открыли присутствие пьезоэлектричество в кристаллах (кварц, турмалин, топаз, борацит), а чуть позже электрическое расширение кварца. Температура, при которой исчезает спонтанная поляризация и происходит перестройка кристаллической решетки носит название точки Кюри, переход через точку Кюри означает фазовый переход, а соответствующие фазы обозначаются как полярная (сегнетоэлектрик) и неполярная (параэлектрик).
В 20-х годах прошлого века Дж. Валашек в США, И.В.Курчатов со своими сотрудниками в СССР и Г.Буш в Швейцарии показали, что в некоторых ионных кристаллах электрическая поляризация может возникать в отсутствие внешнего электрического поля. Это физическое явление было обнаружено впервые в кристаллах сегнетовой соли (при температурах от –18 до +24 oС) и назвали его сегнетоэлектричеством. В зарубежной литературе это явление называют ферроэлектричеством (по формальной аналогии с давно известным феноменом ферромагнетизма).
В 1945 году Б.М. Вул и И.М. Гольдман открыли еще один сегнетоэлектрик - титанат бария (BaTiO3), в отличии от предыдущих сегнеэлектриков его свойства в точке Кюри меняются не плавно, а скачком. И наконец, переходя к современности, используя все известные свойства сегнеэлектриков и современные технологии в 1993 году компания Ramtron cоздает первое сегнетоэлектрическое ОЗУ пригодное для коммерческого использования.
Принцип работы FRAM Работа запоминающей ячейки FRAM основана на том, что внешнее электрическое поле перемещает центральный атом сегнетоэлектрического кристалла в одно из двух стабильных положений.
Все это сопровождается спонтанной поляризацией, которая характеризуется петлей гистерезиса. Существуют два порога напряжения, при достижении которых можно изменить направление поляризации на противоположное. Если электрическое поле отведено от кристалла, то центральный атом остается в том же положении, определяя состояние памяти. Поэтому, FRAM не нуждается в регенерации, и после отключения питания сохраняет свое содержимое.
FRAM-технология совместима со стандартной промышленной технологией КМОП. Сегнетоэлектрическая тонкая пленка размещена над основными КМОП слоями и сжата между двумя электродами. Сама пленка создается на основе сплавов окислов металлов титана, циркония, свинца.
Первоначальная архитектура FRAM представляла два транзистора и два конденсатора (2T/2C), что приводило к относительно большим размерам ячейки памяти.
Последующие улучшения сегнетоэлектрических материалов и технологии позволили избавиться от необходимости применения опорного конденсатора в каждой ячейки массива сегнетоэлектрической памяти. Новая архитектура (один транзистор и один конденсатор) работает подобно DRAM. Один конденсатор используется в качестве общего опорного для каждого столбца массива памяти, позволяя в два раза уменьшить размер ячейки по сравнению с архитектурой 2T/2C.
Кроме этого новая архитектура улучшает влияние кристалла и уменьшает стоимость FRAM-памяти. Кроме этого себестоимость ячеек FRAM памяти снижается за счет уменьшения шага технологичческой сетки. Переход на 0.35мкм технологию позволил снизить потребляемую мощность и увеличить размер матрицы по сравнению с предшествующими поколениями FRAM памяти, выполненных по 0.5 мкм технологии.
Ближайшая перспектива совершенствования архитектуры FRAM-памяти - использование архитектуры 1Т/1С, но с размещением сегнетоэлектрического конденсатора над транзистором. Это будет способствовать уменьшению размеру ячеек памяти и переходу на шаг технологической сетки до 0.1мкм. Возможно единственным недостатком этой технологии является ограниченный объем памяти, но нет сомнений, что и он будет преодолен.
Преимущества FRAM и сравнительные характеристики
Сравнение с другими видами памяти | |||||||
Производитель | Наименование | Ток хранения | Ток актив. | Ресурс циклов (R/RW) | Время записи байта | Время записи массива | |
Ramtron | FM24C16 | 10 мкА | 150 мкА | 1E10 | 72 мкс | 47 мс | |
Atmel | AT24C16 | 18 мкА | 3 мА | 1E6 | 10 мс | 1.3 сек | |
ST | ST24C16 | 300 мкА | 2 мА | 1E6 | 10 мс | 1.3 сек | |
Microchip | 24AA16 | 100 мкА | 3 мА | 1E6 | 10 мс | 1.3 сек | |
Xicor | X24C16 | 150 мкА | 3 мА | 1E5 | 10 мс | 1.3 сек |
FRAM с интерфейсом I2C | ||||
Наименование | Объем | Скорость шины | Питание | Корпус |
FM24C256 | 256Kb | 1MHz | 5V 1.2mA | SOP-8 |
FM24C64 | 64Kb | 1MHz | 5V 1.2mA | SOIC-8 DIP-8 |
FM24CL64 | 64Kb | 1MHz | 2.7-3.6V 400uA | SOIC-8 DFN-8 |
FM24CL16 | 16Kb | 1MHz | 2.7-3.6V 400uA | SOIC-8 DFN-8 |
FM24C16A | 16Kb | 1MHz | 5V 1.0mA | SOIC-8 DIP-8 |
FM24CL04 | 4Kb | 1MHz | 2.7-3.6V 300uA | SOIC-8 |
FM24C04A | 4Kb | 1MHz | 5V 1.0mA | SOIC-8 DIP-8 |
FM24C512 | 512Kb | 1MHz | 5V 1.5mA | SOP-8 |
FRAM с интерфейсом SPI | ||||
Наименование | Объем | Скорость шины | Питание | Корпус |
FM25256 | 256Kb | 15MHz | 4.0V-5.5V 5mA | SOIC-8 |
FM25L256 | 256Kb | 25MHz | 2.7/3.0-3.6V 6mA | SOIC-8 DFN-8 |
FM25CL64 | 64Kb | 20MHz | 2.7-3.6V 10mA | SOIC-8 DFN-8 |
FM25640 | 64Kb | 5MHz | 5V 3.0mA | SOIC-8 DIP-8 |
FM25L16 | 16Kb | 18MHz | 2.7-3.6V 5.5mA | SOIC-8 DFN-8 |
FM25C160-GA | 16Kb | 15MHz | 5V 6.5mA | SOIC-8 |
FM25C160 | 16Kb | 20MHz | 5V 8mA | SOIC-8 DIP-8 |
FM25L04 | 4Kb | 14MHz | 2.7V-3.6V 3.0mA | SOIC-8 DFN-8 |
FM25040A | 4Kb | 20MHz | 5v 8mA | SOIC-8 DIP-8 |
FM25L512 | 512Kb | 20MHz | 3.0-3.6V 12mA | TDFN-8 |
FRAM с параллельным интерфейсом SPI | ||||
Наименование | Объем | Скорость шины | Питание | Корпус |
FM20L08 | 128Kb x 8 | 60ns | 3.3V +10%, -5% 22mA | TSOP-32 |
FM1808 | 32Kb x 8 | 70ns | 5V 25mA | SOIC-28, DIP-28 |
FM18L08 | 32Kb x 8 | 70ns | 3.0-3.6V 15mA | SOIC-28, DIP-28, TSOP-32 |
FM1608 | 8Kb x 8 | 120ns | 5V 15mA | SOIC-28, DIP-28 |
FM22L16 | 256Kb x 16 | 55ns | 2.7-3.6V 18mA | 44-pin TSOP-II |
Варианты приложений: Поблочная защита от записи
Варианты приложений: Интерфейс CPU8052 - FRAM 64k