Сегнетоэлектрическая RAM
В этой статье есть несколько проблем. Пожалуйста, помогите улучшить его или обсудите эти проблемы на странице обсуждения . ( Узнайте, как и когда удалять эти шаблонные сообщения )
|
памяти компьютера и хранения данных компьютера Типы |
---|
Неустойчивый |
Энергонезависимый |
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 больший максимальный срок службы чтения/записи (около 10 10 до 10 15 циклы). [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.
История
[ редактировать ]Сегнетоэлектрическая RAM была предложена Массачусетского технологического института аспирантом 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 ) металл-оксид-полупроводник (MOS) , динамической оперативной памяти ( DRAM в начале 1970-х годов микросхем [7] разработка FeRAM началась в конце 1980-х годов. (JPL) проводилась работа НАСА В 1991 году в Лаборатории реактивного движения 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 году поставила несколько миллионов игровых картриджей . [9] В 1996 году компания Samsung Electronics представила емкостью 4 МБ чип FeRAM , изготовленный с использованием логики NMOS . [10] В 1998 году компания Hyundai Electronics (ныне SK Hynix ) также коммерциализировала технологию FeRAM. [11] Самым ранним известным коммерческим продуктом, использующим FeRAM, является карта памяти Sony PlayStation 2 (8 МБ) , выпущенная в 2000 году. [ нужна ссылка ] (MCU) карты памяти Микроконтроллер , произведенный Toshiba, 32 КБ (4 КБ содержал встроенную FeRAM емкостью (КМОП) 500 нм ), изготовленную с использованием процесса комплементарной МОП . [10]
Крупнейшим современным производителем FeRAM является Ramtron , компания по производству полупроводников без собственных производственных мощностей . Одним из основных 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 ).
Описание
[ редактировать ]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 в себя 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.
Сравнение с другими типами памяти
[ редактировать ]Плотность
[ редактировать ]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 такого 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.
Потребляемая мощность
[ редактировать ]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] ), а для этого требуется непрерывная подача электроэнергии.
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 . накапливается в зарядовом насосе Этот процесс требует высокого напряжения, которое со временем . 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
[ редактировать ]Надежность данных гарантирована в F-RAM даже в условиях сильного магнитного поля по сравнению с MRAM . Cypress Semiconductor's [16] Устройства F-RAM невосприимчивы к сильным магнитным полям и не демонстрируют никаких 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
[ редактировать ]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.
По сравнению со вспышкой преимущества гораздо более очевидны. Хотя операция чтения, вероятно, будет одинаковой по скорости, насосу заряда, используемому для записи, требуется значительное время для «наращивания» тока - процесс, 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, в том числе отпечатки пальцев и усталость. Отпечаток — это состояние преимущественной поляризации по сравнению с предыдущими операциями записи в это состояние, а усталость — это увеличение минимального напряжения записи из-за потери поляризации после длительной циклической работы.
Теоретическая скорость FeRAM не совсем ясна. Существующие 350-нм устройства имеют время считывания порядка 50–60 нс. Хотя обычные 350-нм DRAM медленны по сравнению с современными DRAM, время чтения которых составляет около 20 нс, они работали со временем чтения около 35 нс. [17] поэтому скорость FeRAM кажется сопоставимой при той же технологии изготовления.
Дополнительные метрики
[ редактировать ]Этот раздел нуждается в дополнительных цитатах для проверки . ( Май 2022 г. ) |
Сегнетоэлектрическая RAM | Магниторезистивная оперативная память | nvSRAM | ББСРАМ | |
---|---|---|---|---|
Техника | Основным накопительным элементом является сегнетоэлектрический конденсатор. Конденсатор можно поляризовать вверх или вниз, приложив электрическое поле. [18] | Похож на сегнетоэлектрическую RAM, но атомы выравниваются в направлении внешней магнитной силы . Этот эффект используется для хранения данных | Имеет энергонезависимые элементы наряду с высокоскоростным SRAM. | Имеет литиевый источник энергии для питания, когда внешнее питание выключено. |
Хранение данных [19] | 10-160 лет [20] [4] | 20 лет | 20 лет | 7 лет, в зависимости от батареи и температуры окружающей среды |
Выносливость | 10 10 до 10 15 [4] [21] | 10 8 [22] | Безлимитный | Ограниченный |
Скорость (лучшая) | 55 нс | 35 нс | 15–45 нс | 70–100 нс |
Приложения
[ редактировать ]- Регистратор данных в портативных/имплантируемых медицинских устройствах, поскольку FRAM потребляет меньше энергии. [23] по сравнению с другими энергонезависимыми запоминающими устройствами, такими как EEPROM
- Регистратор данных о событиях в автомобильных системах для сбора критически важных данных системы даже в случае сбоя или сбоя.
- FRAM используется в интеллектуальных счетчиках из-за быстрой записи и высокой долговечности.
- В промышленных ПЛК FRAM является идеальной заменой SRAM с батарейным питанием (BBSRAM) и EEPROM для регистрации данных станка, таких как положение станка с ЧПУ.
Рынок
[ редактировать ]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 ссылка ] 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.), а FeRAM производится 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) счетчики электроэнергии , [24] автомобильная промышленность (например, черные ящики , интеллектуальные подушки безопасности ), деловая техника (например, принтеры, дисковые контроллеры RAID ), контрольно-измерительные приборы, медицинское оборудование, промышленные микроконтроллеры и радиочастотной идентификации метки . 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 помощью двух дополнительных этапов маскировки. [ нужна ссылка ] во время традиционного производства КМОП-полупроводников. 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]
График мощности
[ редактировать ]По состоянию на 2021 год разные производители продавали чипы с объемом памяти (плотностью) не более 16 МБ. [26]
См. также
[ редактировать ]- Память на магнитном сердечнике
- МРАМ
- nvSRAM
- Память с фазовым изменением
- Программируемая ячейка металлизации
- Мемристор
- Память о гоночной трассе
- Пузырьковая память
Ссылки
[ редактировать ]- ^ «Технология ФРАМ» . Кипарисовые полупроводники.
- ^ «FeTRAM: энергонезависимая память потребляет на 99% меньше энергии» . 29 сентября 2011 г.
- ^ https://www.fujitsu.com/us/Images/MB85R4001A-DS501-00005-3v0-E.pdf . [ только URL-адрес PDF ]
- ^ Перейти обратно: а б с «Паспорт данных CY15B116QI» . Сайпресс Полупроводники. п. 19.
- ^ Дадли А. Бак, « Сегнетоэлектрики для хранения и коммутации цифровой информации ». Отчет R-212, Массачусетский технологический институт , июнь 1952 г.
- ^ Риденур, Луи Н. (июнь 1955 г.). «Компьютерные воспоминания» . Scientific American : 92. Архивировано из оригинала 22 августа 2016 г. Проверено 22 августа 2016 г.
- ^ «1970: Полупроводники конкурируют с магнитными сердечниками» . Музей истории компьютеров . Проверено 19 июня 2019 г.
- ^ Сегнетоэлектрическая память с оптической адресацией и неразрушающим считыванием. Архивировано 14 апреля 2009 г. в Wayback Machine.
- ^ «ЭДН, том 39, выпуски 5-8» . ЭДН . Том. 39, нет. 5–8. 1994. с. 14.
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.
- ^ Перейти обратно: а б Скотт, Дж. Ф. (2003). «Нано-сегнетоэлектрики» . В Цакалакосе, Томас; Овидько Илья Александрович; Васудеван, Асури К. (ред.). Наноструктуры: синтез, функциональные свойства и применение . Springer Science & Business Media . стр. 583-600 (584-5, 597). ISBN 9789400710191 .
- ^ «История: 1990-е годы» . СК Хайникс . Архивировано из оригинала 5 февраля 2021 года . Проверено 6 июля 2019 г.
- ^ «Cypress Semiconductor завершает приобретение Ramtron – Denver Business Journal» . Архивировано из оригинала 30 ноября 2012 г.
- ^ Перейти обратно: а б Сегнетоэлектрический фазовый переход в отдельных монокристаллических нанопроволоках BaTiO3. Архивировано 15 июня 2010 г. в Wayback Machine . См. также соответствующий пресс-релиз .
- ^ Юнкера и Госез, Nature , 2003, DOI 10.1038/nature01501.
- ^ «TN-47-16: Проектирование памяти DDR2 высокой плотности» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 20 сентября 2006 г.
- ^ «FRAM – Иммунитет к магнитному полю» . Сайпресс Полупроводники.
- ^ Ли, Дон Чже; Сок, Ён Сик; Чой, До-Чан; Ли, Джэ Хён; Ким, Ён-Рэй; Ким, Хён Су; Джун, Дон Су; Квон, О Хён (1 июня 1992 г.). «DRAM 35 нс, 64 МБ с использованием встроенного источника питания с усилением». Симпозиум 1992 года по схемам СБИС. Сборник технических статей . стр. 64–65. дои : 10.1109/VLSIC.1992.229238 . ISBN 978-0-7803-0701-8 . S2CID 62372447 – через IEEE Xplore.
- ^ «Краткое описание технологии FRAM» . Сайпресс Полупроводники.
- ^ https://site.ieee.org/pikespeak/files/2020/06/Non-Volatile-RAM-Review-ECEN-5823.pdf . [ только URL-адрес PDF ]
- ^ «Технические данные FRAM» . Сайпресс Полупроводники.
- ^ «ФРАМ» . Сайпресс Полупроводники.
- ^ «СтекПуть» .
- ^ «Сравнение энергии между FRAM и EEPROM» . Сайпресс Полупроводники.
- ^ «Руководство пользователя: Однофазный, однотарифный, кредитный счетчик» . Ampy Automation Ltd.
Гарантия на FRAM составляет минимум 10 000 000 000 циклов записи.
- ^ «FRAM — встроенная память со сверхнизким энергопотреблением» . Техасские инструменты.
- ^ АГ, Инфинеон Технологии. «F-RAM (Сегнетоэлектрическое ОЗУ) — Infineon Technologies» . www.infineon.com . Проверено 18 декабря 2021 г.
Внешние ссылки
[ редактировать ]- ФРАМ (FeRAM) [Кипарис
- Сообщество приложений FRAM(FeRAM), спонсируемое Ramtron [Язык: китайский]
- Обзор FRAM от Fujitsu
- Учебное пособие по FeRAM от факультета электротехники и вычислительной техники Университета Торонто.
- Учебное пособие по эксплуатации и технологиям FRAM
- IC-чипы