鐵電存儲器FRAM

鐵電存儲器（FRAM）產品將ROM的非易失性數據存儲特性和RAM的無限次讀寫、高速讀寫以及低功耗等優勢結合在一起。FRAM產品包括各種接口和多種密度，像工業標準的串列和並行接口，工業標準的封裝類型，以及4Kbit、16Kbit、64Kbit、256Kbit和1Mbit等密度。

基本介紹

• 中文名：鐵電存儲器FRAM
• 含義：將ROM的非易失性數據存儲特性
• 包含：4Kbit、16Kbit、64Kbit、256Kbit
• 屬於：工業標準的封裝類型

存儲器簡介

非易失性記憶體掉電後數據不丟失。可是所有的非易失性記憶體均源自ROM技術。你能想像到,唯讀記憶體的數據是不可能修改的。所有以它為基礎發展起來的非易失性記憶體都很難寫入，而且寫入速度慢，它們包括EPROM（現在基本已經淘汰）,EEPROM和Flash，它們存在寫入數據時需要的時間長，擦寫次數低,寫數據功耗大等缺點。

FRAM提供一種與RAM一致的性能,但又有與ROM 一樣的非易失性。 FRAM 克服以上二種記憶體的缺陷併合並它們的優點，它是全新創造的產品，一個非易失性隨機存取儲存器。

FRAM技術

Ramtron的FRAM技術核心是鐵電。這就使得FRAM產品既可以進行非易失性數據存儲又可以像RAM一樣操作。

F-RAM晶片包含一個鋯鈦酸鉛[Pb(Zr,Ti)O3]的薄鐵電薄膜，通常被稱為PZT（如圖1）。PZT 中的Zr/Ti原子在電場中改變極性，從而產生一個二進制開關。與RAM器件不同，F-RAM在電源被關閉或中斷時，由於PZT晶體保持極性能保留其數據記憶。這種獨特的性質讓F-RAM成為一個低功耗、非易失性存儲器。

圖1

當一個電場被加到鐵電晶體時，中心原子順著電場的方向在晶體裡移動，當原子移動時，它通過一個能量壁壘，從而引起電荷擊穿。 內部電路感應到電荷擊穿並設定記憶體。移去電場後中心原子保持不動，記憶體的狀態也得以保存。FRAM 記憶體不需要定時刷新，掉電後數據立即保存，它速度很快，且不容易寫壞。

F-RAM、ROM都屬於非易失性存儲器，在掉電情況下數據不會丟失。新一代ROM，像EEPROM（可擦可程式唯讀存儲器）和Flash存儲器，可以被擦除，並多次重複編程，但它們需要高電壓寫入且寫入速度非常慢。基於ROM技術的存儲器讀寫周期有限（僅為1E5次），使它們不適合高耐性工業套用。

F-RAM比一般串口EEPROM器件有超過10,000倍的耐性，低於3,000倍的功耗和將近500倍的寫入速度（圖 2）。 F-RAM結合了RAM和ROM的優勢，與傳統的非易失存儲器相比，具有高速、低功耗、長壽命的特點。

FRAM存儲器技術和標準的CMOS製造工藝相兼容。鐵電薄膜被放於CMOS base layers之上，並置於兩電極之間，使用金屬互連並鈍化後完成鐵電製造過程。

Ramtron 的FRAM 記憶體技術從開始到現在已經相當成熟。 最初FRAM 記憶體採用二電晶體/ 二電容器的( 2T/2C) 結構，導致元件體積相對較大。 最近發展的鐵電材料和製造工藝不再需要在鐵電存儲器每一單元內配置標準電容器。 Ramtron 新的單電晶體/ 單電容器結構記憶體可以像DRAM一樣進行操作，它使用單電容器為存儲器陣列的每一列提供參考。與現有的2T/2C結構相比，它有效地把記憶體單元所需要面積減少一半。新的設計極大的改進了die leverage並且降低了FRAM存儲器產品的生產成本。

Ramtron公司現採用0.35微米製造工藝，相對於現有的0.5微米的製造工藝而言，這極大地降低晶片功耗，提高了成本效率。

這些令人振奮的發展使FRAM在人們日常生活的各個領域找到了套用的途徑。從辦公複印機、高檔伺服器到汽車安全氣囊和娛樂設備， FRAM 使一系列產品的性能得到改進並在全世界範圍內得到廣泛的套用。

FRAM優勢

FRAM有三種不同的特性使其優於浮柵技術器件：

1. 快速寫入

2. 高耐久性

3. 低功耗

以下列舉了FRAM在一些行業套用領域中與其他存儲器相比較的主要優勢：

頻繁掉電環境

任何非易失性存儲器可以保留配置。可是，配置更改或電源失效情況隨時可能發生，因此，更高寫入耐性的FRAM允許無任何限制的變更記錄。任何時間系統狀態改變，都將寫入新的狀態。這樣可以在電源關閉可用的時間很短或立即失效時狀態被寫入存儲器。

高噪聲環境

在嘈雜的環境下向EEPROM寫數據是很困難的。在劇烈的噪音或功率波動情況下，EEPROM的寫入時間過長會出現漏洞（以毫秒衡量），在此期間寫入可能被中斷。錯誤的機率跟視窗的大小成正比。FRAM的寫入執行視窗少於200ns。

RFID系統

在非接觸式存儲器領域裡，FRAM提供一個理想的解決方案。低功耗訪問在RFID系統中至關重要，因為，能源消耗是以距離成指數下降的。想要以最小的能耗讀寫標籤數據就必須保持標籤有足夠近的距離。通過對射頻發射機和接收機改進寫入距離，降低運動的靈敏性（區域內的時間）以及降低射頻（RF）功率需求，使需要寫入的套用（i.e.借記卡，在生產工序中使用的標籤）獲得優勢。

診斷和維護系統

在一個複雜的系統里，記錄系統失效時的操作歷史和系統狀態是非常寶貴的。如果沒有這些數據，能夠準確的解決或執行需求指令是很困難的。由於FRAM具備高耐久性的特點，可以生成一個理想的系統日誌。從計算機工作站到工業過程控制不同的系統，都能從FRAM中獲益。

鐵電套用

數據採集與記錄

存儲器（FRAM）可以讓設計者更快、更頻繁地將數據寫入非易失性存儲器，而且價格比EEPROM低。數據採集通常包括採集和存儲兩部分，系統所採集的數據（(除臨時或中間結果數據外)需要在掉電後能夠保存，這些功能是數據採集系統或子系統所具有的基本功能。在大多數情況下，一些歷史記錄是很重要的。

典型套用：儀表 (電錶、氣表、水錶、流量表)、RF/ID、儀器,、和汽車黑匣子、安全氣袋、GPS定位系統、電力電網監控系統。

參數設定與存儲

FRAM通過實時存儲數據幫助系統設計者解決了突然斷電數據丟失的問題。參數存儲用於跟蹤系統在過去時間內的改變，它的目的包括在上電狀態時恢復系統狀態或者確認一個系統錯誤。總的來說，數據採集是系統或子系統的功能，不論何種系統類型，設定參數存儲都是一種底層的系統功能。

典型套用： 影印機,印表機, 工業控制, 機頂盒 (Set-Top-Box), 網路設備（網路數據機）和大型家用電器。

非易失性緩衝

鐵電存貯器（FRAM）可以在數據傳遞儲存在其它存儲器之前快速存儲數據。在此情況下，信息從一個子系統非實時地傳送到另一個子系統去.。由於資料的重要性, 緩衝區內的數據在掉電時不能丟失.，在某些情況下，目標系統是一個較大容量的存儲裝置。FRAM以其擦寫速度快、擦寫次數多使數據在傳送之前得到存儲。

典型套用：工業系統、銀行自動提款機 (ATM), 稅控機, 商業結算系統 (POS), 傳真機，未來將套用於硬碟非易失性高速緩衝存儲器。

取代和擴展

鐵電存貯器（FRAM） 快速擦寫和非易失性等特點，令系統工程師可以把現有設計中的SRAM和EEPROM器件整合到一個鐵電存貯器（FRAM）里，或者簡單地作為SRAM擴展。

在多數情況下，系統使用多種存儲器類型，FRAM提供了只使用一個器件就能提供ROM,RAM和EEPROM功能的能力，節省了功耗, 成本, 空間，同時增加了整個系統的可靠性。最常見的例子就是在一個有外部串列EEPROM嵌入式系統中，FRAM能夠代替EEPROM,同時也為處理器提供了額外的SRAM功能。

典型套用：攜帶型設備中的一體化存儲器，使用低端控制器的任何系統。