Сегнетоэлектрическое ОЗУ

Эта статья требует дополнительных ссылок для проверки . Пожалуйста, помогите улучшить эту статью , добавив цитаты из надежных источников . Материал, не полученный от источника, может быть оспорен и удален. Найти источники:  «Сегнетоэлектрическое ОЗУ»  -  новости  · газеты  · книги  · ученый  · JSTOR ( июнь 2013 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )

Сегнетоэлектрическое ОЗУ ( FeRAM , F-RAM или FRAM ) - это оперативная память, аналогичная по конструкции DRAM, но использующая сегнетоэлектрический слой вместо диэлектрического слоя для достижения энергонезависимости. FeRAM - одна из растущего числа альтернативных технологий энергонезависимой памяти с произвольным доступом, которые предлагают те же функции, что и флэш-память .

Преимущества FeRAM по сравнению с Flash включают: более низкое энергопотребление, более высокую производительность записи ^[1] и гораздо большую максимальную выносливость чтения / записи (примерно от 10 ^{10 [2]} до 10 ^{14 [3]} циклов). Время хранения данных FeRAM составляет более 10 лет при +85 ° C (до многих десятилетий при более низких температурах). Недостатки FeRAM на рынке - это гораздо более низкая плотность хранения, чем флеш-устройства, ограничения емкости хранения и более высокая стоимость. Как и DRAM, процесс чтения FeRAM является деструктивным и требует архитектуры записи после чтения.

История [ править ]

Сегнетоэлектрическое ОЗУ было предложено аспирантом Массачусетского технологического института Дадли Алленом Баком в его магистерской диссертации « Сегнетоэлектрики для хранения и коммутации цифровой информации», опубликованной в 1952 году. ^[4] Это было в эпоху совместного использования исследований между членами научного сообщества в качестве средства быстрого продвигать технологические инновации во время быстрого наращивания вычислительной мощности в эпоху холодной войны. В 1955 году Bell Telephone Laboratories экспериментировала с памятью из сегнетоэлектрических кристаллов. ^[5] После появления в начале 1970-х чипов динамической оперативной памяти ( DRAM ) металл-оксид-полупроводник (МОП) ,^[6] разработка FeRAM началась в конце 1980-х годов. Работа была сделана в 1991 году в НАСА «ы Лаборатории реактивного движения (JPL) по совершенствованию методов считаны,том числе нового способа неразрушающего считыванияиспользованием импульсов УФизлучения. ^[7]

FeRAM был коммерциализирован в конце 1990-х годов. В 1996 году Samsung Electronics представила 4- мегабайтный чип FeRAM, изготовленный с использованием логики NMOS . ^[8] В 1998 году Hyundai Electronics (ныне SK Hynix ) также коммерциализировала технологию FeRAM. ^[9] Самый ранний известный коммерческий продукт для использования FeRAM является Sony «s PlayStation 2 (PS2), выпущенный в 2000 году PS2 аппаратные средства » ы Emotion Engine центральный процессор (ЦП) , изготовленный Toshiba содержит 32 кб внедренные FeRAM изготовлены с использованием    Комплементарный процесс MOS (CMOS) 500 нм . ^[8]

Крупнейшим современным производителем FeRAM является компания Ramtron , занимающаяся производством полупроводников . Одним из основных лицензиатов является Fujitsu , которая управляет, вероятно, крупнейшей литейной производственной линией полупроводников с поддержкой FeRAM. С 1999 года они используют эту линию для производства автономных FeRAM, а также специализированных чипов (например, чипов для смарт-карт) со встроенными FeRAM. Fujitsu производила устройства для Ramtron до 2010 года. С 2010 года производителями Ramtron были TI (Texas Instruments) и IBM. По крайней мере, с 2001 года Texas Instrumentsсотрудничает с Ramtron в разработке тестовых чипов FeRAM по модифицированному 130-нм техпроцессу. Осенью 2005 года Ramtron сообщил, что они оценивают опытные образцы 8-мегабитного FeRAM, изготовленного с использованием процесса FeRAM Texas Instruments. Fujitsu и Seiko-Epson в 2005 году совместно разрабатывали 180-нм процесс FeRAM. В 2012 году Ramtron был приобретен Cypress Semiconductor . ^{[10] О} исследовательских проектах FeRAM также сообщалось в Samsung , Matsushita , Oki , Toshiba , Infineon , Hynix , Symetrix, Кембриджском университете , Университете Торонто., и Межвузовский центр микроэлектроники (IMEC, Бельгия ).

Описание [ править ]

Обычная память DRAM состоит из сетки небольших конденсаторов и связанных с ними проводных и сигнальных транзисторов . Каждый элемент памяти, ячейка , состоит из одного конденсатора и одного транзистора, так называемого устройства «1T-1C». Обычно это тип МОП-памяти , изготовленный с использованием технологии КМОП . ^[11] Ячейки DRAM масштабируются непосредственно в зависимости от размера полупроводникового изделия.процесс, используемый для его изготовления. Например, для процесса 90 нм, используемого большинством поставщиков памяти для создания DDR2 DRAM, размер ячейки составляет 0,22 мкм², включая конденсатор, транзистор, проводку и некоторое количество «пустого пространства» между различными частями - кажется 35 % использования является типичным, 65% пространства остается пустым (для разделения).

Данные DRAM хранятся как наличие или отсутствие электрического заряда в конденсаторе, при этом отсутствие заряда обычно представляет собой «0». Запись выполняется путем активации соответствующего управляющего транзистора, осушения ячейки, чтобы записать «0», или посылки тока в нее из линии питания, если новое значение должно быть «1». Чтение похоже по своей природе; транзистор снова активируется, сливая заряд на усилитель считывания . Если в усилителе замечается импульс заряда, значит, в ячейке есть заряд, и на ней отображается «1»; отсутствие такого импульса указывает на «0». Обратите внимание, что этот процесс деструктивен, как только ячейка была прочитана. Если на нем действительно стоит «1», его необходимо повторно зарядить до этого значения. Поскольку аккумулятор теряет заряд через некоторое время из-за токов утечки, его необходимо периодически обновлять.

Конструкция ячейки памяти 1T-1C в FeRAM аналогична конструкции ячейки памяти в широко используемой 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 сегнетоэлектрический материал , обычно цирконат-титанат свинца (PZT).

Сегнетоэлектрический материал имеет нелинейную зависимость между приложенным электрическим полем и кажущимся накопленным зарядом. В частности, сегнетоэлектрическая характеристика имеет форму петли гистерезиса , которая очень похожа по форме на петлю гистерезиса ферромагнитных материалов. Диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектрика , как правило , гораздо выше , чем у линейного диэлектрика из - за эффектов полупостоянных электрических диполей , образованных в кристаллической структуресегнетоэлектрического материала. Когда к диэлектрику прикладывается внешнее электрическое поле, диполи стремятся выровняться с направлением поля, создаваемое небольшими сдвигами в положениях атомов и сдвигами в распределении электронного заряда в кристаллической структуре. После снятия заряда диполи сохраняют состояние поляризации. Двоичные «0» и «1» хранятся как одна из двух возможных электрических поляризаций в каждой ячейке хранения данных. Например, на рисунке «1» кодируется с использованием отрицательной остаточной поляризации «-Pr», а «0» кодируется с использованием положительной остаточной поляризации «+ Pr».

По принципу действия FeRAM аналогичен DRAM. Запись осуществляется путем приложения поля к сегнетоэлектрическому слою, заряжая пластины по обе стороны от него, заставляя атомы внутри ориентироваться «вверх» или «вниз» (в зависимости от полярности заряда), тем самым сохраняя «1». "или" 0 ". Однако чтение несколько отличается от чтения в DRAM. Транзистор переводит ячейку в определенное состояние, скажем «0». Если в ячейке уже находится «0», в строках вывода ничего не произойдет. Если ячейка держала «1», переориентация атомов в пленке вызовет короткий импульс тока на выходе, поскольку они выталкивают электроны.из металла по «нижней» стороне. Наличие этого импульса означает, что ячейка имеет «1». Поскольку этот процесс перезаписывает ячейку, чтение FeRAM является деструктивным процессом и требует перезаписи ячейки.

В целом FeRAM работает аналогично 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 переключения состояния полярности и делает это намного быстрее.

Сравнение с другими типами памяти [ править ]

Плотность [ править ]

Основным фактором, определяющим стоимость системы памяти, является плотность компонентов, из которых она состоит. Компоненты меньшего размера и меньшее их количество означает, что на одном кристалле можно разместить больше ячеек, что, в свою очередь, означает, что на одной кремниевой пластине можно производить больше ячеек за один раз. Это повышает доходность, которая напрямую связана с затратами.

Нижний предел этого процесса масштабирования - важный момент для сравнения. В общем, технология, которая масштабируется до наименьшего размера ячейки, в конечном итоге будет самой дешевой за бит. С точки зрения конструкции FeRAM и DRAM схожи и, как правило, могут быть построены на аналогичных линиях с аналогичными размерами. В обоих случаях нижний предел определяется количеством заряда, необходимого для запуска усилителей считывания. Для DRAM это, по-видимому, проблема на длине волны около 55 нм, и в этот момент заряд, накопленный в конденсаторе, слишком мал, чтобы его можно было обнаружить. Неясно, может ли FeRAM масштабироваться до того же размера, поскольку плотность заряда слоя PZT может отличаться от плотности заряда металлических пластин в обычном конденсаторе.

Дополнительным ограничением размера является то, что материалы, как правило, перестают быть сегнетоэлектрическими, когда они слишком малы. ^{[12] [13]} (Этот эффект связан с «полем деполяризации» сегнетоэлектрика.) В настоящее время ведутся исследования по решению проблемы стабилизации сегнетоэлектрических материалов; один подход, например, использует молекулярные адсорбаты. ^[12]

На сегодняшний день производятся коммерческие устройства FeRAM на 350 нм и 130 нм. Ранние модели требовали двух ячеек FeRAM на бит, что приводило к очень низкой плотности, но с тех пор это ограничение было снято.

Потребляемая мощность [ править ]

Ключевым преимуществом FeRAM над DRAM является то, что происходит между циклами чтения и записи. В DRAM заряд, нанесенный на металлические пластины, протекает через изолирующий слой и управляющий транзистор и исчезает. Чтобы DRAM могла хранить данные для чего-либо, кроме очень короткого времени, каждая ячейка должна периодически считываться, а затем перезаписываться, процесс, известный как обновление . Каждую ячейку необходимо обновлять много раз в секунду (обычно 16 раз в секунду ^[14] ), а для этого требуется постоянная подача энергии.

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 эталонный тест, указанный исследователями STT-MRAM, также полезен и здесь, показывая, что потребление энергии примерно на 99% ниже, чем в DRAM. Однако аспект деструктивного чтения FeRAM может поставить его в невыгодное положение по сравнению с MRAM .

Другой тип энергонезависимой памяти - это флеш-память, которая , как и FeRAM, не требует обновления. Вспышка работает, проталкивая электроны через высококачественный изолирующий барьер, где они «застревают» на одном из выводов транзистора . Этот процесс требует высоких напряжений, которые со временем накапливаются в зарядном насосе . 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 при чтении. Для устройств, которые "в основном читают", разница может быть небольшой, но для устройств с более сбалансированным чтением и записью можно ожидать, что разница будет намного больше.

Производительность [ править ]

Производительность DRAM ограничена скоростью, с которой заряд, хранящийся в ячейках, может быть истощен (для чтения) или сохранен (для записи). В общем, это в конечном итоге определяется возможностями управляющих транзисторов, емкостью линий, передающих энергию к элементам, и теплом, которое генерирует мощность.

FeRAM основан на физическом движении атомов в ответ на внешнее поле, которое происходит очень быстро и устанавливается примерно за 1 нс. Теоретически это означает, что FeRAM может быть намного быстрее DRAM. Однако, поскольку для чтения и записи мощность должна поступать в ячейку, электрические задержки и задержки переключения, вероятно, будут в целом аналогичны DRAM. Кажется разумным предположить, что FeRAM потребует меньше заряда, чем DRAM, потому что DRAM должны удерживать заряд, тогда как FeRAM была бы записана до того, как заряд был бы истощен. Однако запись происходит с задержкой, поскольку заряд должен проходить через управляющий транзистор, что несколько ограничивает ток.

По сравнению со вспышкой преимущества намного очевиднее. В то время как операция чтения, вероятно, будет аналогичной по производительности, насос заряда, используемый для записи, требует значительного времени для «наращивания» тока, а в FeRAM процесс не требуется. 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, включая отпечаток и усталость. Отпечаток - это предпочтительное состояние поляризации от предыдущих операций записи до этого состояния, а усталость - это увеличение минимального напряжения записи из-за потери поляризации после продолжительного цикла.

Теоретическая производительность FeRAM не совсем ясна. Существующие 350-нм устройства имеют время считывания порядка 50–60 нс. Несмотря на то, что они медленные по сравнению с современными DRAM, которые можно найти со временем порядка 2 нс, обычные 350-нм DRAM работали со временем чтения около 35 нс ^[15], поэтому производительность FeRAM кажется сопоставимой при той же технологии изготовления.

В целом [ править ]

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). ^{[ необходима цитата ]}Годовой объем продаж Ramtron, возможно, крупнейшего поставщика FeRAM в 2005 году, составил 32,7 миллиона долларов США. Значительно больший объем продаж флэш-памяти по сравнению с альтернативными энергонезависимыми ОЗУ требует гораздо больших усилий по исследованиям и разработкам. Флэш-память производится с использованием полупроводниковой линии с шириной линии 30 нм в Samsung (2007), тогда как FeRAM производятся с шириной линии 350 нм в Fujitsu и 130 нм в Texas Instruments (2007). Ячейки флэш-памяти могут хранить несколько битов на ячейку (в настоящее время 3 в флэш-устройствах NAND с самой высокой плотностью), а количество битов на флэш-ячейку, по прогнозам, увеличится до 4 или даже до 8 в результате инноваций в конструкции флэш-ячеек. Как следствие, удельная плотность флэш-памяти намного выше, чем у FeRAM, и, следовательно, стоимость одного бита флэш-памяти на несколько порядков ниже, чем у FeRAM.

Плотность массивов FeRAM может быть увеличена за счет улучшений в технологии производства FeRAM и структур ячеек, таких как разработка вертикальных конденсаторных структур (так же, как DRAM) для уменьшения площади, занимаемой ячейками. Однако уменьшение размера ячейки может привести к тому, что сигнал данных станет слишком слабым, чтобы его можно было обнаружить. В 2005 году Ramtron сообщил о значительных продажах своей продукции FeRAM в различных секторах, включая (но не ограничиваясь) счетчики электроэнергии , ^[16] автомобильную (например, черные ящики , интеллектуальные подушки безопасности ), бизнес-машины (например, принтеры, контроллеры дисков RAID ). , контрольно-измерительные приборы, медицинское оборудование, промышленные микроконтроллеры иметки радиочастотной идентификации . Другие развивающиеся NVRAM, такие как MRAM, могут стремиться выйти на аналогичные нишевые рынки в конкуренции с FeRAM.

Компания Texas Instruments доказала возможность встраивания ячеек FeRAM с помощью двух дополнительных этапов маскирования ^{[ необходима цитата ]} при производстве обычных КМОП-полупроводников. Для Flash обычно требуется девять масок. Это делает возможным, например, интеграцию FeRAM в микроконтроллеры, где упрощенный процесс снизит затраты. Однако материалы, используемые для изготовления FeRAM, обычно не используются в производстве КМОП интегральных схем. Как сегнетоэлектрический слой PZT, так и благородные металлы, используемые для электродов, вызывают проблемы совместимости с технологией CMOS и загрязнения. Texas Instruments включила некоторое количество памяти FRAM в свои микроконтроллеры MSP430 новой серии FRAM. ^[17]

См. Также [ править ]

• Магнитная память
• MRAM
• nvSRAM
• Фазовая память
• Программируемая ячейка металлизации
• Мемристор
• Память о гоночной трассе
• Флэш-память
• Сегнетоэлектричество
• цирконат титанат свинца
• Ramtron International

Ссылки [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

• FRAM (FeRAM) [Кипарис
• Сообщество приложений FRAM (FeRAM), спонсируемое Ramtron [Язык: китайский]
• Обзор FRAM от Fujitsu
• Учебное пособие FeRAM факультета электротехники и вычислительной техники Университета Торонто
• Учебное пособие по эксплуатации и технологии FRAM

Микросхемы IC

• Микроконтроллер Texas Instruments с внутренней памятью FRAM