Ferrosähköinen hajasaantimuisti ( Ferroelectric RAM , FeRAM tai FRAM [1] ) on samanlainen hajasaantimuisti kuin DRAM , mutta jossa käytetään ferrosähköistä kerrosta dielektrisen kerroksen sijaan energiariippumattomuuden varmistamiseksi. FeRAM on yksi kasvavasta määrästä vaihtoehtoisia haihtumattomia muistitekniikoita , jotka tarjoavat samat toiminnot kuin flash-muisti .
Ensimmäiset tiedot ferrosähköisten materiaalien käytöstä digitaalisissa tallennuslaitteissa ovat peräisin 1970-luvulta. Neuvostoliitossa julkaistiin tekijänoikeustodistus nro 690564 [ 2] ja 307РВ1-sarjan [3] ferrosähköisiä muistimikropiirejä julkaistiin . Käyttövaikeudet, erityisesti suurjännitteiden tarve, eivät kuitenkaan mahdollistaneet tekniikan laajaa käyttöönottoa.
Modernin FeRAM - teknologian kehitys alkoi 1980 - luvun lopulla . Vuonna 1991 NASA:n Jet Propulsion Laboratoryssa työskentelivät lukumenetelmien parantamiseksi, mukaan lukien uusi menetelmä tuhoamattomaan lukemiseen käyttämällä ultraviolettisäteilypulsseja [4] .
Suurin osa nykyisestä FeRAM-teknologiasta on kehittänyt Ramtron International , tehtaaton yritys , joka on erikoistunut puolijohdeteollisuuteen. Yksi suurimmista lisenssinsaajista oli Fujitsu , jolla on joidenkin mielestä suurin puolijohteiden valmistuskanta , mukaan lukien FeRAMille sopiva tuotantolinja. Vuodesta 1999 lähtien he ovat käyttäneet tätä linjaa yksittäisten FeRAM- sirujen tuottamiseen erikoissirujen (kuten älykorttisirujen ) rinnalla integroidulla FeRAM-muistilla. Tämä sopii täydellisesti Fujitsun suunnitelmiin valmistaa Ramtronin kehittämiä laitteita.
Vuodesta 2001 lähtien Texas Instruments aloitti yhteistyön Ramtronin kanssa kehittääkseen FeRAM-testisiruja käyttämällä päivitettyä 130 nm :n prosessia . Syksyllä 2005 Ramtron ilmoitti onnistuneensa merkittävästi parantamaan Texas Instrumentsin tiloissa valmistettuja 8 megabitin FeRAM-sirujen prototyyppiä . Samana vuonna Fujitsu ja Seiko-Epson aloittivat yhteistyön 180 nm:n FeRAM- prosessin kehittämiseksi .
Samsung , Matsushita , Oki , Toshiba , Infineon , Hynix , Symetrix , Cambridgen yliopisto , Toronton yliopisto ja Interuniversity Microelectronics Center (IMEC, Belgia ) ovat ilmoittaneet FeRAM-tutkimusprojekteista .
Virstanpylväät: 1984 - RAMTRON aloitti FRAM-muistitekniikan kehittämisen.
1989 - Ensimmäinen FRAM-tehdas otettiin käyttöön.
1993 - ensimmäinen kaupallinen tuote (FRAM-siru, jonka muistikapasiteetti on 4 kbit, otettiin sarjatuotantoon).
1996 - 16 kbit:n FRAM-sirun tuotanto aloitettiin.
1998 - FRAM-teknologian massatuotanto topologisella normilla 1,0 mikronia .
1999 - FRAM:in massatuotanto 0,5 mikronin teknologialla, FRAM-siruja, joiden muistikapasiteetti on 64 Kbit ja 256 Kbit.
2000 - FRAM-mikropiirien tuotanto, joiden tilavuus on 1 Mbit solutyypillä 1T1C, FRAM-mikropiirien tuotannon alku, syöttöjännitteellä 3 V.
2001 - FRAM-tuotantoteknologian käyttöönotto topologisella normilla 0,35 mikronia.
Perinteinen DRAM koostuu pienistä kondensaattoreista ja niihin liittyvistä kosketin- ja signaalitransistoreista . Jokainen tiedon tallennuselementti koostuu yhdestä kondensaattorista ja yhdestä transistorista, vastaavaa piiriä kutsutaan myös "1T-1C"-laitteeksi.
DRAM-elementin mitat määräytyvät suoraan niiden valmistuksessa käytetyn puolijohteen valmistusprosessin mittojen mukaan . Esimerkiksi useimpien muistivalmistajien DDR2 DRAM:in tuotannossa käyttämän 90 nm prosessin mukaan elementin koko on 0,22 µm², joka sisältää kondensaattorin , transistorin , niiden liitännän sekä jonkin verran tyhjää tilaa eri osien välillä - yleensä elementit vievät 35 % tilasta, jättäen 65 % tyhjäksi tilaksi.
DRAM-muistissa olevat tiedot tallennetaan kondensaattorin sähkövarauksen olemassaolona tai puuttumisena, ja varauksen puuttuminen merkitään "0". Tallennus tehdään aktivoimalla vastaava ohjaustransistori, joka mahdollistaa latauksen "tyhjentymisen" muistaakseen "0" tai päinvastoin, ohittaa latauksen kennoon, mikä tarkoittaa "1". Lukeminen tapahtuu hyvin samalla tavalla: transistori aktivoituu uudelleen, latauksen tyhjennys analysoidaan lukuvahvistimella . Jos vahvistin havaitsee latauspulssin, niin kenno sisälsi varauksen ja näin luetaan "1", tällaisen pulssin puuttuminen tarkoittaa "0". On huomattava, että tämä prosessi on tuhoisa , eli solu luetaan kerran; jos se sisälsi "1", se on ladattava uudelleen, jotta arvon tallentamista voidaan jatkaa. Koska kenno menettää latauksensa jonkin ajan kuluttua vuotojen vuoksi, sen sisällön regenerointia tarvitaan tietyin väliajoin.
FeRAM:ille suunniteltu 1T-1C-tyyppinen kenno on rakenteeltaan samanlainen kuin DRAMissa yleisesti käytetyt kennotyypit , mukaan lukien yksi kondensaattori ja yksi transistorirakenne. DRAM-kennokondensaattori käyttää lineaarista eristettä, kun taas FeRAM-kennokondensaattori käyttää dielektristä rakennetta, joka sisältää ferrosähköisen ( yleensä lyijyzirkonaattititanaatti (PZT) pietsokeraaminen ).
Ferrosähköisellä on epälineaarinen suhde käytetyn sähkökentän ja tallennetun varauksen välillä. Erityisesti ferrosähköisellä ominaisuudella on hystereesisilmukan muoto, joka on yleisesti ottaen hyvin samanlainen kuin ferromagneettisten materiaalien hystereesisilmukka . Ferrosähköisen materiaalin kiderakenteeseen muodostuneiden puolipysyvien sähködipolien vaikutuksesta johtuen ferrosähköisen materiaalin dielektrisyysvakio on yleensä paljon suurempi kuin lineaarisen dielektrisen . Kun ulkoinen sähkökenttä läpäisee eristeen, dipolit asettuvat kohdakkain käytetyn kentän suunnan kanssa, mikä johtaa pieniin siirtymiin atomien asemissa ja siirtymiä sähkövarauksen kulussa kiderakenteessa. Kun varaus on poistettu, dipolit säilyttävät polarisaatiotilansa. Tyypillisesti binaariset "0" ja "1" tallennetaan yhtenä kahdesta mahdollisesta sähköpolarisaatiosta kuhunkin tiedontallennuskennoon. Esimerkiksi "1" viittaa negatiiviseen polarisaatiojäännökseen "-Pr" ja "0" viittaa positiiviseen polarisaatiojäännökseen "+Pr".
FeRAM on toiminnallisesti samanlainen kuin DRAM. Tallennus tapahtuu tunkeutumalla kenttään ferrosähköisen kerroksen läpi, kun elektrodit latautuvat, pakottamalla sisällä olevat atomit suuntautumaan ylös- tai alaspäin (varauksen napaisuudesta riippuen), minkä vuoksi "1" tai "0" tallentuu. Lukemisen periaate eroaa kuitenkin DRAM:n toteutuksesta. Transistori asettaa solun erityistilaan ja ilmoittaa "0". Jos solussa on jo "0", tulostusriveillä ei tapahdu mitään. Jos solu sisälsi "1", niin välikerroksen atomien uudelleensuuntautuminen johtaa lyhyeen lähtöpulssiin, kun ne työntävät elektroneja ulos metallista "alapuolella". Tämän pulssin läsnäolo tarkoittaa, että solu tallentaa "1". Koska prosessi korvaa solun sisällön, FeRAM-muistista lukeminen on tuhoisa prosessi ja vaatii solussa olevan datan uudelleenmuodostuksen, jos se muuttuu lukemisen aikana.
FeRAM-muistin toiminta on hyvin samanlainen kuin magneettinen ydinmuisti , joka oli yksi ensimmäisistä tietokonemuistityypeistä 1960-luvulla. Lisäksi FeRAM:issa käytetty ferrosähköinen vaikutus löydettiin vuonna 1920. Mutta nyt FeRAM vaatii paljon vähemmän energiaa napaisuuden tilan (suunnan) muuttamiseen, ja se tekee sen paljon nopeammin.
FeRAMin eduista flash-muistiin verrattuna ovat:
FeRAMin haittoja ovat:
Flash-muistisolut voivat tallentaa useita bittejä solua kohden (tällä hetkellä 3 NAND-flash-sirujen suurimmalla tiheydellä ) , ja bittien määrää flash-solua kohden on tarkoitus nostaa 4 tai jopa 8:aan uusien flash-kennojen tekniikoiden ansiosta. . Flash-muistin bittitiheysalue on siten paljon suurempi kuin FeRAM:n, ja siten flash-muistin bittihinta on alhaisempi kuin FeRAM:n.
Muistialijärjestelmän kustannusten päätekijä on komponenttien tiheys. Vähemmän komponentteja (tai vähemmän) tarkoittaa, että yhdelle sirulle mahtuu enemmän soluja, mikä puolestaan tarkoittaa, että yhdestä piikiekosta voidaan valmistaa enemmän muistisiruja kerrallaan, tai sirut ovat kapasiteetiltaan suurempia. Tämä lisää tuloja , mikä näkyy suoraan kuluissa .
Alaraja tässä skaalausprosessissa on yksi keskeisistä vertailukohdista, joka on tyypillistä kaikille teknologioille yleensä, pienimpiin solukokoihin skaalaus ja tälle rajalle lepäävä, mikä ei salli niiden halpenemista entisestään. FeRAM ja DRAM ovat rakenteeltaan samanlaisia, ja niitä voidaan jopa tuottaa samanlaisilla linjoilla samankokoisina. Molemmissa tapauksissa alaraja määräytyy sen varauksen määrän mukaan, joka tarvitaan aistinvahvistimen laukaisemiseen. DRAM-muistille tämä tulee ongelmaksi 55 nm:ssä, koska tällä koossa kondensaattorin tallentama varaus tulee liian pieneksi havaittavaksi. Vielä ei tiedetä, voidaanko FeRAM pienentää samankokoiseksi, koska PZT-kerroksen varaustiheys ei välttämättä ole sama kuin perinteisen kondensaattorin metallielektrodien.
Ylimääräinen kokorajoitus on, että materiaali menettää ferrosähköiset ominaisuudet koon voimakkaan pienentyessä [5] [6] (tämä vaikutus liittyy ferrosähköisen "depolarisaatiokenttään"). Tällä hetkellä ferrosähköisten materiaalien stabilointiongelmaa tutkitaan parhaillaan; yksi ratkaisu on esimerkiksi molekyyliadsorbaattien käyttö [5] .
Tällä hetkellä kaupallisia FeRAM-ratkaisuja valmistetaan 350 nm ja 130 nm prosesseilla. Varhaiset mallit vaativat kaksi FeRAM-solua yhden bitin tallentamiseen, mikä johti erittäin alhaiseen tiheyteen, mutta tämä rajoitus on sittemmin voitettu.
FeRAMin tärkein etu DRAMiin verrattuna on se, mitä tapahtuu luku- ja kirjoitusjaksojen välillä . DRAMissa metallielektrodeissa oleva varaus virtaa eristävän kerroksen ja ohjaustransistorin läpi, minkä seurauksena se katoaa kokonaan. Myös DRAM-muistissa, jotta dataa voidaan tallentaa pidempään kuin muutaman millisekunnin, jokainen solu on ajoittain luettava ja ylikirjoitettava, mitä kutsutaan "regeneraatioksi". Jokainen solu on päivitettävä useita kertoja sekunnissa (kerran ~65 ms:n välein [7] ), mikä vaatii jatkuvaa virtalähdettä.
Toisin kuin DRAM, FeRAM tarvitsee virtaa vain lukiessaan tai kirjoittaessaan soluun. Merkittävä osa DRAM:n käyttämästä energiasta kuluu regenerointiin, joten TTR-MRAM-kehittäjien mainitsemat mittaukset ovat myös tässä varsin relevantteja, mikä viittaa 99 % pienempään virrankulutukseen verrattuna DRAM:iin.
Toinen haihtumattoman muistin tyyppi on flash-muisti , joka, kuten FeRAM, ei vaadi päivitysprosessia. Flash-muisti toimii työntämällä elektroneja korkealaatuisen eristävän esteen läpi, jossa ne jäävät loukkuun transistorin toiseen päähän . Tämä prosessi vaatii korkean jännitteen, jonka tuottaa latauspumppugeneraattori . Tämä tarkoittaa, että FeRAM käyttää suunnittelultaan vähemmän virtaa kuin flash, ainakin kirjoitettaessa, koska virrankulutus FeRAMiin kirjoittamisessa on vain hieman korkeampi kuin lukemisessa. Enimmäkseen luettavissa olevissa laitteissa erot eivät ole lainkaan merkittäviä, mutta laitteissa, joilla on tasapainoisempi luku-/kirjoitustaso, ero voi olla paljon suurempi.
DRAM-suorituskykyä rajoittaa taso, jolla kennoihin tallennettu virtavaraus voidaan "tyhjentää" (luettaessa) tai "pumpata" (kirjoitettaessa). Yleisessä tapauksessa tätä rajoittavat ohjaustransistorien ominaisuudet, kennoille tehoa syöttävien linjojen kapasitanssi sekä syntyvä lämpötila.
FeRAM perustuu atomien fyysiseen liikkeeseen, kun ne altistetaan ulkoiselle kentälle, mikä on erittäin nopeaa ja kestää noin 1 ns. Teoriassa tämä tarkoittaa, että FeRAM voi olla nopeampi kuin DRAM. Kuitenkin johtuen siitä, että soluun on syötettävä virtaa lukemisen ja kirjoittamisen aikana, erilaiset virransyöttöön ja kytkentöihin liittyvät viiveet vähentävät suorituskykyä DRAM-muistiin verrattavalle tasolle. Tästä syystä voidaan sanoa, että FeRAM vaatii vähemmän latausta kuin DRAM, koska DRAM-sirujen on säilytettävä lataus, kun taas FeRAM ylikirjoitetaan ennen kuin lataus tyhjenee. Toisin sanoen kirjoittamisessa on viive, joka johtuu siitä, että varauksen täytyy kulkea ohjaustransistorin läpi, mikä asettaa omat rajoituksensa.
Flash-muistiin verrattuna edut ovat ilmeisempiä. Vaikka lukeminen on suorituskyvyltään samanlaista, kirjoitukset käyttävät latauksen pumppausta, mikä vaatii huomattavan ajan "asettamiseen", kun taas FeRAM-prosessi ei. Flash-muistin kirjoittaminen kestää yleensä noin 1 ms, kun taas nykypäivän FeRAM-sirut vievät 100 kertaa vähemmän aikaa.
FeRAMin teoreettisella suorituskyvyllä kaikki ei ole selvää. Olemassa olevien 350 nm:n näytteiden lukuajat ovat luokkaa 50–60 ns. Vaikka ne ovat nopeudeltaan verrattavissa nykyaikaisiin DRAM-siruihin, joista löytyy esimerkkejä, joiden arvot ovat luokkaa 2 ns, yleiset 350 nm DRAM-sirut toimivat lukuajalla, joka on luokkaa 35 ns [8] , joten FeRAMin suorituskyky näyttää olevan verrattavissa vastaavaan valmistusprosessiin.
Vuonna 2005 puolijohteiden maailmanlaajuinen myynti oli 235 miljardia dollaria ( Gartnerin arvion mukaan ), ja flash-muistimarkkinoiden arvo oli 18,6 miljardia dollaria (IC Insightsin mukaan). . Vuonna 2005 Ramtron Internationalin , kiistatta suurimman FeRAM-muistien toimittajan, liikevaihto oli 32,7 miljoonaa dollaria.
Vuonna 2007 FeRAM-sirut valmistettiin Fujitsun tehtailla 350 nm :n ja Texas Instrumentsin tehtailla 130 nm :n standardien mukaan, kun taas flash-muistit valmistetaan Samsungin puolijohteista jo 30 nm:n spesifikaatioilla. Flash-muisti on tällä hetkellä hallitseva haihtumattoman muistin ( NVRAM ) tekniikka ja todennäköisesti pysyy sellaisena ainakin vuosikymmenen loppuun asti. Huomattavasti korkeampi flash-muistin myynti, joka on verrattavissa vaihtoehtoisiin NVRAM-siruihin, tarjoaa paljon enemmän tutkimusta ja kehitystä.
Syksyllä 2008 Ramtron International julkaisi ensimmäisen 1 Mbit FM28V100-sirun, joka merkitsi V-Familyn alkua.
Heinäkuun 2009 lopussa yhtiö ilmoitti julkaisevansa uuden V-Family-perheen FM28V020-muistisirun, jonka kapasiteetti on 256 Kbps (looginen organisaatio 32Kx8), jossa on rinnakkaisliitäntä ja yhden tavun dataväylän leveys. Pakkaamiseen valittiin vakiotyyppinen SOIC -28 kotelo ; käyttölämpötila-alue -40°C - +85°C [9] .
Vuoden 2011 alussa Ramtron International esitteli useita sarjaliitännällä varustettuja siruja: FM24W256, FM25W256 - 256 Kbps - 2,35 dollaria kappaleelta. 10 000 kappaleen erässä; ja rinnakkaisliitäntä: FM16W08 - 64 Kbps - 1,96 $, FM18W08 - 256 Kbps - 3,48 $ [10] . Esitellyssä uudessa W-Familyssä on 25-50 % pienempi aktiivitilan virta ja 20-kertainen alustusaika.
Kesällä 2011 Texas Instruments julkaisi muunnelman MSP430 -mikro-ohjaimesta , jossa oli FRAM-muisti Flashin sijaan [11] .
Lokakuussa 2012 Fujitsu Semiconductor Europe (FSEU) esitteli MB85RC256V-sirun, jonka kapasiteetti on 256 Kbps. Tietojen säilytyksen taattu kesto on 10 vuotta 85°C:n lämpötilassa, luku-/kirjoitusjaksojen määrä on 1 biljoona [12] .
FeRAMilla on edelleen erittäin pieni osuus puolijohdemarkkinoista.
FeRAMin tiheyttä voidaan nostaa parantamalla FeRAM -valmistusprosessin tekniikkaa ja kennorakennetta, esimerkiksi kehittämällä pystykondensaattorirakenteita (vastaavia DRAM:ia) vähentämään kennoon kohdistuvaa vaikutusaluetta. Solun koon pienentäminen voi kuitenkin aiheuttaa sen, että datan tallennusvaraus tulee liian heikko havaittavaksi. Vuonna 2005 Ramtron ilmoitti merkittävästä FeRAM-tuotteiden myynnistä useilla markkinasektoreilla, mukaan lukien (mutta ei rajoittuen) elektronisiin mittauksiin, kuljetusvälineisiin ( mustat laatikot ja älyturvatyynyt ), yritys- ja toimistolaitteet (tulostimet ja RAID - ohjaimet). ), mittauslaitteet. , lääketieteelliset laitteet, teollisuusmikro -ohjaimet ja RFID- sirut. Muut olemassa olevat NVRAM-sirut, kuten MRAM , voivat ottaa paikkansa vastaavilla markkinarakoilla, kilpailemalla FeRAMin kanssa.
On mahdollista sisällyttää FeRAM-soluja käyttämällä kahta lisämaskivaihetta perinteisten CMOS-puolijohteiden tuotannossa [13] . Flash-muisti vaatii yleensä yhdeksän maskia. Tämä mahdollistaa esimerkiksi FeRAM:in integroinnin mikro -ohjaimiin , missä yksinkertaisempi prosessi alentaisi kustannuksia. FeRAM-sirujen valmistuksessa käytettyjä materiaaleja ei kuitenkaan käytetä laajasti CMOS-piirien valmistuksessa. Sekä PZT-ferrosähköinen kerros että elektrodien valmistuksessa käytetyt jalot materiaalit aiheuttavat hapettumisprosessin ja keskinäisen huonontumisen CMOS:ssa.