鐵電存貯器FRAM技術(shù)原理

1 引言

　　鐵電存貯器（FRAM）的核心技術(shù)是鐵電晶體材料。這一特殊材料使得鐵電存貯器產(chǎn)品同時(shí)擁有隨機存取記憶體（RAM）和非易失性存貯器產(chǎn)品的雙重特性。

鐵電晶體材料的工作原理是：當我們把電場(chǎng)加載到鐵電晶體材料上時(shí)，晶陣中的中心原子會(huì )沿著(zhù)電場(chǎng)方向運動(dòng)，最后到達穩定狀態(tài)。晶陣中的每個(gè)自由浮動(dòng)的中心原子只有兩個(gè)穩定狀態(tài)。一個(gè)記憶邏輯中的0，另一個(gè)記億1。該中心原子能在常溫且沒(méi)有電場(chǎng)的情況下停留在此狀態(tài)達一百年以上。因此，鐵電記憶體不需要定時(shí)刷新便能在斷電情況下保存數據。

由于在整個(gè)物理過(guò)程中沒(méi)有任何原子碰撞，因而鐵電記憶體（FRAM）擁有高速讀寫(xiě)、超低功耗和無(wú)限次寫(xiě)入等超級特性。

2 存貯器的基礎知識

　　傳統半導體記憶體有易失性記憶體（volatilememory）和非易失性記憶體（non－volatile memory）兩大體系。易失性記憶體如SRAM和DRAM，它們在沒(méi)有電源的情況下都不能保存數據，但這種存貯器擁有快速、易用及性能好等優(yōu)點(diǎn)。

　　而非易失性記憶體（像EPROM，EEPROM和FLASH）則可在斷電后繼續保存資料。但由于所有這些記憶體均起源于只讀存貯器（ROM）技術(shù)，所以它們都有不易寫(xiě)入的缺點(diǎn)。確切的說(shuō)，這些缺點(diǎn)包括寫(xiě)入緩慢、寫(xiě)入次數有限以及寫(xiě)入時(shí)需要較大功耗等。

　　圖1是16kB鐵電存貯器（FRAM）和16kBEEP－ROM的性能比較?？梢钥闯觯篎RAM第一個(gè)最明顯的優(yōu)點(diǎn)是FRAM可以跟隨總線(xiàn)速度（busspeed）寫(xiě)入。與EEPROM的最大不同便是FRAM在寫(xiě)入后無(wú)須任何等待時(shí)間。而EEPROM則要等待幾毫秒（ms）才能寫(xiě)進(jìn)下一筆資料。


　　鐵電存貯器（FRAM）的第二大優(yōu)點(diǎn)是幾乎可以無(wú)限次寫(xiě)入。當EEPROM只能應付十萬(wàn)（10的5次方）至一百萬(wàn)次寫(xiě)入時(shí)，新一代的鐵電存貯器（FRAM）已可達到一億個(gè)億次（10的16次方）的寫(xiě)人壽命。

　　鐵電存貯器（FRAM）的第三大優(yōu)點(diǎn)是超低功耗。EEPROM的慢速和高電流寫(xiě)入使得它需要有高出FRAM存貯器2，500倍的能量去寫(xiě)入每個(gè)字節。

　　表1給出了16kB內存在總線(xiàn)速度為400kHz時(shí)，FM24C16型鐵電存貯器與其它幾種存貯器的性能比較。


　　由于鐵電存貯器（FRAM）包含了RAM技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，又同時(shí)擁有ROM技術(shù)的非易失性特點(diǎn)。因此，為業(yè)界提供了一個(gè)嶄新的存貯器產(chǎn)品：一個(gè)非易失性的RAM。

3 FRAM鐵電存貯器的應用

　　通常人們往往用EEPROM來(lái)存儲設置資料和啟動(dòng)程序，而用SRAM來(lái)暫存系統或運算變數。但如果掉電后這些數據仍需保留的話(huà)，人們會(huì )通過(guò)加上后備電池的方法去實(shí)現。很久以來(lái)，人們都沒(méi)有檢驗這種記憶體架構的合理性。鐵電存貯器（FRAM）的出現為大家提供了一個(gè)簡(jiǎn)潔而高性能的一體化存貯技術(shù)的新構想。

3．1 數據采集和記錄

　　鐵電存貯器（FRAM）的出現使工程師可以運用非易失性的特點(diǎn)進(jìn)行多次高速寫(xiě)入。而在這以前，在只有EEPROM的情況下，大量數據采集和記錄對工程師來(lái)說(shuō)是一件非常頭疼的事。

數據采集包括記錄和貯存數據。更重要的是能在失去電源的情況下不丟失任何資料。在數據采集的過(guò)程中，通常數據均需要不斷高速寫(xiě)入并對舊資料進(jìn)行更新。 EEPROM的寫(xiě)入壽命和速度往往不能滿(mǎn)足要求。而現在的FRAM便可在現代儀表（電力表，水表，煤氣表，暖氣表，記程車(chē)表）、測量、醫療儀表、非接觸式聰明卡（RFID）、門(mén)禁系統以E及汽車(chē)記錄儀（了解汽車(chē)事故的黑匣子）等系統中得到廣泛的應用。

3．2 存儲配置參數（Configuration／Setting Data）

　　以往在只有EEPROM的情況下，由于寫(xiě)入次數的限制，工程師們只能在偵測到掉電的時(shí)候，才把更新了的配置參數及時(shí)地存進(jìn)EEPROM里。這種做法很明顯地存在著(zhù)可靠性問(wèn)題。鐵電存貯器（FRAM）的推出使工程師可以有更大的空間去選擇實(shí)時(shí)記錄最新的配置參數。從而免去了是否能在掉電時(shí)及時(shí)寫(xiě)入的憂(yōu)慮。因此可廣泛用于電子電話(huà)簿、影印機、打印機、工業(yè)控制、機頂盒（Set－Top－Box）、網(wǎng)絡(luò )設備、TFT屏顯、游戲機、自動(dòng)販賣(mài)機等系統。

3．3 非易失性緩沖（buffer）記憶

　　鐵電存貯器（FRAM）無(wú)限次快速擦寫(xiě)特性使得這種產(chǎn)品十分適合于擔當重要系統里的暫存（buffer）記憶體。在一些重要系統里，往往需要把資料從一個(gè)子系統非實(shí)時(shí)地傳到另一個(gè)子系統去。由于資料的重要性，緩沖區內的數據在掉電時(shí)不能丟失。以往，工程師們只能通過(guò)SRAM加后備電池的方法去實(shí)現。這種方法隱藏著(zhù)電池耗盡，化學(xué)液體泄出等安全和可靠性問(wèn)題。鐵電存貯器（FRAM）的出現為業(yè)界提供了一個(gè)高可靠性，而且低成本的方案。從而使得用于銀行自動(dòng)提款機（ATM）、稅控機、商業(yè)結算系統（POS）、傳真機等系統中時(shí)更加安全可靠。

3．4 SRAM的取代和擴展

　　鐵電存貯器（FRAM）以其無(wú)限次快速擦寫(xiě)和非易失性等特點(diǎn)，令系統工程師可以把現在在線(xiàn)路板上分離的SRAM和EEPROM器件整合到一個(gè)鐵電存貯器（FRAM）里。從而為整個(gè)系統節省出更多的功率、成本和空間。同時(shí)也增加了整個(gè)系統的可靠性。 不難設想，人們可以用鐵電存貯器（FRAM）加一個(gè)便宜的單片機（microcontroller）來(lái)取代一個(gè)較貴的SRAM嵌入式單片機和外圍EEPROM。

4 RAMTRONFRAM鐵電存貯器

　　Ramtron串行（serial）非易失性RAM尊循標準工業(yè)接口。2－wire產(chǎn)品可為單片機（microcontroller）配選最少的接線(xiàn)。而SPI產(chǎn)品雖然需要多一至兩個(gè)接線(xiàn)，但具有高速和通訊協(xié)議簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。
表2給出了RAMTRON串行FRAM產(chǎn)品的型號及其參數。表3所示列為并列FRAM的型號參數。




Ramtron并列（parallel)非易失性RAM與標準的SRAM管腳兼容。且其并行FRAM對SRAM加后備電池方案做了較大改進(jìn)。系統工程師再不需要擔心電池干涸，也不需要系統里加上笨拙的機械裝置。FRAM的封裝就象SRAM一樣有簡(jiǎn)單的貼片封裝（SOIC）或插腳封裝（DIP），從而使您可以放心將電池仍掉了！