Memoria feroelectrică cu acces aleator ( Ferroelectric RAM , FeRAM sau FRAM [1] ) este o memorie cu acces aleatoriu similar ca design cu DRAM , dar care utilizează un strat feroelectric în loc de un strat dielectric pentru a asigura independența energetică. FeRAM este una dintr-un număr tot mai mare de tehnologii alternative de memorie nevolatilă care oferă aceeași funcționalitate ca și memoria flash .
Primele informații despre utilizarea feroelectricilor în dispozitivele de stocare digitală datează din anii 1970. În URSS , a fost publicat certificatul de drepturi de autor nr. 690564 [2] și au fost lansate microcircuite de memorie feroelectrice din seria 307РВ1 [3] . Cu toate acestea, dificultățile de utilizare, în special, nevoia de tensiuni înalte, nu au permis ca tehnologia să fie adoptată pe scară largă.
Dezvoltarea tehnologiei moderne FeRAM a început la sfârșitul anilor 1980 . În 1991, la Jet Propulsion Laboratory al NASA se lucrează pentru a îmbunătăți metodele de citire, inclusiv o nouă metodă de citire nedistructivă folosind impulsuri de radiație ultravioletă [4] .
O mare parte din tehnologia actuală FeRAM a fost dezvoltată de Ramtron International , o companie fără fabrică specializată în industria semiconductoarelor. Unul dintre licențiații majori a fost Fujitsu , care, după unele conturi, are cea mai mare bază de producție de semiconductori , inclusiv o linie de producție potrivită pentru FeRAM. Din 1999, au folosit această linie pentru a produce cipuri FeRAM individuale alături de cipuri specializate (cum ar fi cipuri de carduri inteligente ) cu memorie FeRAM integrată. Acest lucru se potrivește perfect cu planurile Fujitsu de a produce dispozitive dezvoltate de Ramtron.
Începând cu 2001, Texas Instruments a început să colaboreze cu Ramtron pentru a dezvolta cipuri de testare FeRAM folosind un proces actualizat de 130 nm . În toamna lui 2005, Ramtron a anunțat că a reușit să îmbunătățească în mod semnificativ cipurile prototip FeRAM de 8 megabiți fabricate folosind facilitățile Texas Instruments . În același an, Fujitsu și Seiko-Epson au început să colaboreze la dezvoltarea procesului FeRAM de 180 nm .
Proiectele de cercetare FeRAM au fost anunțate de Samsung , Matsushita , Oki , Toshiba , Infineon , Hynix , Symetrix , University of Cambridge , University of Toronto și Interuniversitar Microelectronics Centre (IMEC, Belgia ).
Etape: 1984 - RAMTRON a început dezvoltarea tehnologiei de memorie FRAM.
1989 - A fost pusă în funcțiune prima fabrică pentru producția de FRAM.
1993 - primul produs comercial (cipul FRAM cu o capacitate de memorie de 4 Kbit a fost pus în producție de masă).
1996 - a fost lansată producția unui cip FRAM de 16 Kbit.
1998 - producție în masă a tehnologiei FRAM cu o normă topologică de 1,0 microni .
1999 - producție în masă de FRAM folosind tehnologia de 0,5 microni, cipuri FRAM cu o capacitate de memorie de 64 Kbit și 256 Kbit.
2000 - producția de microcircuite FRAM cu un volum de 1 Mbit cu o celulă de tip 1T1C, începutul producției de microcircuite FRAM cu o tensiune de alimentare de 3 V.
2001 - introducerea tehnologiei de producție FRAM cu o normă topologică de 0,35 microni.
DRAM convențional constă dintr-o rețea de condensatoare mici și tranzistoare de contact și semnal asociate . Fiecare element de stocare a informațiilor constă dintr-un condensator și un tranzistor, un circuit similar fiind numit și dispozitiv „1T-1C”.
Dimensiunile unui element DRAM sunt determinate direct de dimensiunile procesului de fabricare a semiconductorilor utilizat la fabricarea acestora. De exemplu, conform procesului de 90 nm utilizat de majoritatea producătorilor de memorie în producția de DDR2 DRAM, dimensiunea elementului este de 0,22 µm², care include un condensator , un tranzistor , conexiunea lor, precum și o anumită cantitate de spațiu gol între diferite părți - de obicei, elementele ocupă 35% din spațiu, lăsând 65% ca spațiu gol.
Datele din DRAM sunt stocate ca prezența sau absența unei sarcini electrice pe un condensator, absența sarcinii fiind notată cu „0”. Înregistrarea se face prin activarea tranzistorului de control corespunzător, care permite încărcăturii să „se scurgă” pentru a reține „0”, sau invers, pentru a sări peste încărcarea în celulă, ceea ce va însemna „1”. Citirea are loc într-un mod foarte similar: tranzistorul este reactivat, drenul de încărcare este analizat de amplificatorul de citire . Dacă pulsul de încărcare este notat de amplificator, atunci celula conținea o sarcină și astfel se citește „1”, absența unui astfel de impuls înseamnă „0”. Trebuie remarcat faptul că acest proces este distructiv , adică celula este citită o dată; dacă conținea „1”, atunci trebuie reîncărcat pentru a continua stocarea acelei valori. Deoarece celula își pierde încărcarea după ceva timp din cauza scurgerilor, este necesară regenerarea conținutului său la anumite intervale.
Celula de tip 1T-1C proiectată pentru FeRAM este similară ca design cu ambele tipuri de celule utilizate în mod obișnuit în DRAM , inclusiv un singur condensator și o singură structură de tranzistor. Condensatorul de celule DRAM utilizează un dielectric liniar, în timp ce condensatorul de celule FeRAM utilizează o structură dielectrică care include o feroelectrică ( de obicei piezoceramică de zirconat de plumb (PZT ).
Un feroelectric are o relație neliniară între câmpul electric aplicat și sarcina stocată. În special, caracteristica feroelectrică are forma unei bucle de histerezis , care, în termeni generali, este foarte asemănătoare cu bucla de histerezis a materialelor feromagnetice . Constanta dielectrică a unui feroelectric este în general mult mai mare decât cea a unui dielectric liniar datorită efectului dipolilor electrici semipermanenți formați în structura cristalină a materialului feroelectric. Când un câmp electric extern pătrunde într-un dielectric, dipolii se aliniază cu direcția câmpului aplicat, rezultând modificări ușoare ale pozițiilor atomice și schimbări în trecerea sarcinii electrice în structura cristalină. După ce încărcarea este îndepărtată, dipolii își păstrează starea de polarizare. În mod obișnuit, „0” și „1” binare sunt stocate ca una dintre cele două polarizări electrice posibile în fiecare celulă de stocare a datelor. De exemplu, „1” se referă la restul de polarizare negativă „-Pr”, iar „0” se referă la restul de polarizare pozitivă „+Pr”.
FeRAM este similar din punct de vedere funcțional cu DRAM. Înregistrarea are loc prin pătrunderea câmpului prin stratul feroelectric atunci când electrozii sunt încărcați, forțând atomii din interior să ia o orientare în sus sau în jos (în funcție de polaritatea sarcinii), datorită căreia se stochează „1” sau „0”. Cu toate acestea, principiul citirii diferă de implementarea în DRAM. Tranzistorul pune celula într-o stare specială, raportând „0”. Dacă celula conține deja „0”, atunci nu se va întâmpla nimic pe liniile de ieșire. Dacă celula conținea un „1”, atunci reorientarea atomilor din stratul intermediar va avea ca rezultat un impuls scurt de ieșire, deoarece ei împing electronii din metal pe partea „de jos”. Prezența acestui puls va însemna că celula stochează „1”. Deoarece procesul suprascrie conținutul celulei, citirea din FeRAM este un proces distructiv și necesită regenerarea datelor din celulă dacă se modifică în timpul citirii.
Funcționarea FeRAM este foarte asemănătoare cu memoria nucleului magnetic , unul dintre primele tipuri de memorie de computer din anii 1960. În plus, efectul feroelectric folosit în FeRAM a fost descoperit în 1920. Dar acum FeRAM necesită mult mai puțină energie pentru a schimba starea de polaritate (direcția) și o face mult mai rapid.
Printre avantajele FeRAM față de memoria flash se numără:
Dezavantajele FeRAM includ:
Celulele de memorie flash pot stoca mai mulți biți pe celulă (în prezent 3 la cea mai mare densitate pentru cipurile flash NAND ) , iar numărul de biți pe celulă flash este planificat să fie crescut la 4 sau chiar 8 datorită noilor tehnologii din domeniul celulelor flash. . Intervalul de densitate de biți a memoriei flash este, în consecință, mult mai mare decât cel al FeRAM și, prin urmare, costul pe bit al memoriei flash este mai mic decât cel al FeRAM.
Principalul determinant al costului subsistemului de memorie este densitatea componentelor. Mai puține componente (sau mai puține) înseamnă că pe un singur cip se pot potrivi mai multe celule, ceea ce înseamnă că, la rândul său, pot fi produse mai multe cipuri de memorie dintr-o placă de siliciu la un moment dat, sau acele cipuri vor fi mai încăpătoare. Acest lucru mărește venitul , care se reflectă direct în cost .
Limita de jos în acest proces de scalare este unul dintre punctele cheie de comparație, care este tipic pentru toate tehnologiile în general, scalarea la cele mai mici dimensiuni de celule și bazându-se pe această limită, ceea ce nu le permite să devină mai ieftine. FeRAM și DRAM sunt similare ca design și pot fi chiar produse pe linii similare la dimensiuni similare. În ambele cazuri, limita inferioară este determinată de cantitatea de încărcare necesară pentru a declanșa amplificatorul de sens. Pentru DRAM aceasta devine o problemă la 55 nm, deoarece la acea dimensiune cantitatea de încărcare stocată de condensator devine prea mică pentru a fi detectată. Nu se știe încă dacă FeRAM poate fi redusă la o dimensiune similară, deoarece densitatea de încărcare pe stratul PZT poate să nu fie aceeași cu cea a electrozilor metalici dintr-un condensator convențional.
O constrângere suplimentară de dimensiune este aceea că materialul își pierde proprietățile feroelectrice cu o scădere puternică a dimensiunii [5] [6] (acest efect este asociat cu „câmpul de depolarizare” al feroelectricului). În acest moment, cercetările sunt în derulare pe problema stabilizării materialelor feroelectrice; o soluție, de exemplu, este utilizarea adsorbaților moleculari [5] .
În prezent, soluțiile comerciale FeRAM sunt fabricate în procese de 350 nm și 130 nm. Modelele timpurii necesitau celule FeRAM duble pentru a stoca un bit, rezultând o densitate foarte scăzută, dar această limitare a fost depășită de atunci.
Avantajul cheie al FeRAM față de DRAM este ceea ce se întâmplă între ciclurile de citire și scriere. În DRAM, sarcina situată pe electrozii metalici curge prin stratul izolator și tranzistorul de control, drept urmare dispare complet. Tot în DRAM, pentru a stoca date mai lungi de câteva milisecunde, fiecare celulă trebuie citită și suprascrisă periodic, ceea ce se numește „regenerare”. Fiecare celulă trebuie actualizată de mai multe ori pe secundă (o dată la ~65 ms [7] ), ceea ce necesită o alimentare constantă.
Spre deosebire de DRAM, FeRAM necesită putere doar atunci când citește sau scrie într-o celulă. O parte semnificativă din energia folosită de DRAM este cheltuită pentru regenerare, astfel încât măsurătorile citate de dezvoltatorii TTR-MRAM sunt și ele destul de relevante aici, indicând un consum de energie cu 99% mai mic în comparație cu DRAM.
Un alt tip de memorie nevolatilă este memoria flash , care, la fel ca FeRAM, nu necesită un proces de reîmprospătare. Memoria flash funcționează împingând electronii printr-o barieră izolatoare de înaltă calitate, unde sunt prinși la un capăt al unui tranzistor . Acest proces necesită tensiune înaltă, care este furnizată de un generator de pompă de încărcare . Aceasta înseamnă că FeRAM, prin proiectare, utilizează mai puțină energie decât flash-ul, cel puțin la scriere, deoarece consumul de energie pentru scrierea pe FeRAM este doar puțin mai mare decât pentru citire. Pentru dispozitivele care sunt în mare parte citite, diferențele nu vor fi deloc semnificative, dar pentru dispozitivele cu un nivel de citire/scriere mai echilibrat, diferența poate fi mult mai semnificativă.
Performanța DRAM este limitată de nivelul la care încărcarea curentă stocată în celule poate fi „drenată” (când citiți) sau „pompată” (când scrieți). În cazul general, acest lucru este limitat de capacitățile tranzistoarelor de control, de capacitatea liniilor care furnizează energie celulelor, precum și de temperatura generată.
FeRAM se bazează pe mișcarea fizică a atomilor atunci când sunt expuși la un câmp extern, care este extrem de rapid, luând aproximativ 1 ns. În teorie, aceasta înseamnă că FeRAM poate fi mai rapid decât DRAM. Cu toate acestea, datorită faptului că trebuie furnizată energie celulei atunci când citiți și scrieți, diversele întârzieri asociate cu alimentarea cu energie și comutarea vor reduce performanța la un nivel comparabil cu DRAM. Din acest motiv, se poate spune că FeRAM necesită mai puțină încărcare decât DRAM, deoarece cipurile DRAM trebuie să mențină o încărcare, în timp ce FeRAM va fi suprascris înainte ca încărcarea să fie epuizată. Adică, există o întârziere în scriere din cauza faptului că sarcina trebuie să treacă prin tranzistorul de control, ceea ce își impune propriile limitări.
În comparație cu memoria flash, avantajele sunt mai evidente. În timp ce citirile sunt similare ca performanță, scrierile folosesc pomparea de încărcare, necesitând o perioadă semnificativă de timp pentru „configurare”, în timp ce procesul FeRAM nu o face. Memoria flash durează în general aproximativ 1 ms pentru a scrie un pic, în timp ce chiar și cipurile FeRAM de astăzi durează de 100 de ori mai puțin timp.
Cu performanța teoretică a FeRAM, nu totul este clar. Eșantioanele existente de 350 nm au timpi de citire de ordinul 50-60 ns. Deși sunt comparabile ca viteză cu cipurile DRAM moderne, printre care se găsesc exemple cu valori de ordinul a 2 ns, cipurile DRAM obișnuite de 350 nm funcționează cu un timp de citire de ordinul a 35 ns [8] , deci performanța FeRAM pare să fie comparabilă cu un proces de fabricație similar.
În 2005, vânzările de semiconductori la nivel mondial au fost de 235 de miliarde de dolari (estimate de Gartner ), piața memoriei flash fiind evaluată la 18,6 miliarde de dolari (conform IC Insights) . În 2005, Ramtron International , probabil cel mai mare furnizor de memorie FeRAM, a avut vânzări de 32,7 milioane de dolari.
În 2007, cipurile FeRAM au fost fabricate cu specificații de 350 nm la fabricile Fujitsu și standarde de 130 nm la fabricile Texas Instruments, în timp ce memoria flash este fabricată folosind semiconductori Samsung deja cu specificații de 30 nm. Memoria flash este în prezent tehnologia dominantă a memoriei nevolatile ( NVRAM ) și este probabil să rămână așa până cel puțin la sfârșitul deceniului. Vânzări semnificativ mai mari de memorie flash, comparabile cu cipurile NVRAM alternative, oferă mult mai multă cercetare și dezvoltare.
În toamna anului 2008, Ramtron International a lansat primul cip FM28V100 de 1 Mbit, care a marcat începutul familiei V.
La sfârșitul lunii iulie 2009, compania a anunțat lansarea unui nou cip de memorie FM28V020 cu o capacitate de 256 Kbps (organizare logică 32Kx8) din familia V-Family cu o interfață paralelă și o lățime a magistralei de date de un octet. Pentru ambalare s-a ales o cutie standard de tip SOIC -28 ; intervalul de temperatură de funcționare de la −40°C la +85°C [9] .
La începutul anului 2011, Ramtron International a prezentat un număr de cipuri cu interfață serială: FM24W256, FM25W256 - 256 Kbps - 2,35 USD pe bucată. într-un lot de 10.000 de bucăți; și interfață paralelă: FM16W08 - 64 Kbps - 1,96 USD, FM18W08 - 256 Kbps - 3,48 USD [10] . Noua familie W introdusă prezintă un curent de mod activ cu 25-50% mai mic și o reducere de 20 ori a timpului de inițializare.
În vara lui 2011, Texas Instruments a lansat o variantă a microcontrolerului MSP430 cu FRAM în loc de Flash [11] .
În octombrie 2012, Fujitsu Semiconductor Europe (FSEU) a introdus cipul MB85RC256V cu o capacitate de 256 Kbps. Durata garantată a stocării datelor este de 10 ani la o temperatură de 85°C, numărul de cicluri de citire/scriere este de 1 trilion [12] .
FeRAM continuă să dețină o cotă extrem de mică pe piața totală a semiconductoarelor.
Densitatea FeRAM poate fi crescută prin îmbunătățirea tehnologiei procesului de fabricație FeRAM și a structurii celulei, de exemplu, prin dezvoltarea structurilor condensatoare verticale (similare cu DRAM) pentru a reduce aria de efect asupra celulei. Cu toate acestea, reducerea dimensiunii celulei poate face ca taxa de stocare a datelor să devină prea slabă pentru a fi detectată. În 2005, Ramtron a anunțat vânzări semnificative de produse FeRAM în diverse sectoare de piață, inclusiv (dar fără a se limita la) măsurători electronice, echipamente de transport ( cutii negre și airbag -uri inteligente ), echipamente de afaceri și de birou (imprimante și controlere RAID ). ), instrumente de măsurare. , echipamente medicale, microcontrolere industriale și cipuri RFID . Alte cipuri NVRAM existente, cum ar fi MRAM , își pot lua locul în nișe de piață similare, concurând cu FeRAM.
Este posibil să se încorporeze celule FeRAM utilizând două etape suplimentare de mască în producția de semiconductori CMOS convenționali [13] . Memoria flash necesită de obicei nouă măști. Acest lucru face posibilă, de exemplu, integrarea FeRAM în microcontrolere , unde un proces mai simplu ar reduce costurile. Cu toate acestea, materialele utilizate la fabricarea cipurilor FeRAM nu sunt utilizate pe scară largă în fabricarea circuitelor CMOS. Atât stratul feroelectric PZT, cât și materialele nobile utilizate la fabricarea electrozilor provoacă un proces de oxidare și deteriorare reciprocă în CMOS.