Feroelektrická paměť s náhodným přístupem ( Ferroelectric RAM , FeRAM nebo FRAM [1] ) je paměť s náhodným přístupem podobná designu jako DRAM , ale k zajištění energetické nezávislosti používá feroelektrickou vrstvu místo dielektrické vrstvy. FeRAM je jednou z rostoucího počtu alternativních technologií energeticky nezávislé paměti , které nabízejí stejné funkce jako flash paměti .
První informace o použití feroelektrik v digitálních paměťových zařízeních pocházejí ze 70. let minulého století. V SSSR byl zveřejněn autorský certifikát č. 690564 [2] a byly vydány feroelektrické paměťové mikroobvody řady 307РВ1 [3] . Obtíže při používání, zejména potřeba vysokého napětí, však neumožnily široké přijetí technologie.
Vývoj moderní technologie FeRAM začal koncem 80. let 20. století . V roce 1991 probíhaly v NASA Jet Propulsion Laboratory práce na zdokonalení metod čtení, včetně nové metody nedestruktivního čtení pomocí pulzů ultrafialového záření [4] .
Velká část současné technologie FeRAM byla vyvinuta Ramtron International , společností bez továren specializující se na polovodičový průmysl. Jedním z hlavních držitelů licence byla společnost Fujitsu , která má podle některých údajů největší výrobní základnu polovodičů , včetně výrobní linky vhodné pro FeRAM. Od roku 1999 používají tuto linku k výrobě jednotlivých čipů FeRAM vedle specializovaných čipů (jako jsou čipy pro chytré karty ) s integrovanou pamětí FeRAM. To dokonale zapadá do plánů Fujitsu na výrobu zařízení vyvinutých Ramtronem.
Počínaje rokem 2001 začala společnost Texas Instruments spolupracovat se společností Ramtron na vývoji testovacích čipů FeRAM pomocí aktualizovaného 130 nm procesu . Na podzim roku 2005 Ramtron oznámil, že se jim podařilo výrazně vylepšit prototyp 8megabitových čipů FeRAM vyrobených pomocí zařízení Texas Instruments . Ve stejném roce začaly Fujitsu a Seiko-Epson spolupracovat na vývoji 180nm FeRAM procesu .
Výzkumné projekty FeRAM byly oznámeny společnostmi Samsung , Matsushita , Oki , Toshiba , Infineon , Hynix , Symetrix , University of Cambridge , University of Toronto a Interuniversity Microelectronics Center (IMEC, Belgie ).
Milníky: 1984 - RAMTRON zahájil vývoj technologie pamětí FRAM.
1989 - Byla uvedena do provozu první továrna na výrobu FRAM.
1993 - první komerční produkt ( do sériové výroby byl uveden FRAM čip s kapacitou paměti 4 Kbit ).
1996 - zahájena výroba 16 Kbit FRAM čipu.
1998 - sériová výroba technologie FRAM s topologickou normou 1,0 mikronu .
1999 - hromadná výroba FRAM technologií 0,5 mikronu, FRAM čipy s kapacitou paměti 64 Kbit a 256 Kbit.
2000 - výroba mikroobvodů FRAM o objemu 1 Mbit s článkem typu 1T1C, zahájení výroby mikroobvodů FRAM s napájecím napětím 3V.
2001 - zavedení technologie výroby FRAM s topologickou normou 0,35 mikronu.
Konvenční DRAM se skládá z mřížky malých kondenzátorů a přidružených kontaktních a signálních tranzistorů . Každý prvek pro ukládání informací se skládá z jednoho kondenzátoru a jednoho tranzistoru, podobný obvod se také nazývá zařízení "1T-1C".
Rozměry prvku DRAM jsou určeny přímo rozměry polovodičového výrobního procesu použitého při jejich výrobě. Například podle 90nm procesu používaného většinou výrobců pamětí při výrobě DDR2 DRAM je velikost prvku 0,22 µm², což zahrnuje kondenzátor , tranzistor , jejich připojení a také určité množství prázdného prostoru mezi různými částmi - prvky obvykle zabírají 35 % prostoru, přičemž 65 % zbývá jako prázdný prostor.
Data v DRAM jsou uložena jako přítomnost nebo nepřítomnost elektrického náboje na kondenzátoru, přičemž nepřítomnost náboje je označena jako "0". Záznam se provádí aktivací odpovídajícího řídicího tranzistoru, který umožňuje „vyčerpání“ náboje, aby si zapamatoval „0“, nebo naopak přeskočení náboje do článku, což bude znamenat „1“. Čtení probíhá velmi podobným způsobem: tranzistor je reaktivován, odběr náboje je analyzován čtecím zesilovačem . Pokud je nabíjecí impuls zaznamenáván zesilovačem, pak článek obsahoval náboj a je tedy přečtena "1", nepřítomnost takového pulzu znamená "0". Je třeba poznamenat, že tento proces je destruktivní , to znamená, že buňka je přečtena jednou; pokud obsahoval "1", musí být znovu načten, aby se tato hodnota nadále ukládala. Vzhledem k tomu, že článek po určité době ztrácí náboj v důsledku netěsností, je v určitých intervalech nutná regenerace jeho obsahu.
Buňka typu 1T-1C navržená pro FeRAM má podobný design jako oba typy článků běžně používaných v DRAM , včetně struktury jediného kondenzátoru a jediného tranzistoru. Kondenzátor článku DRAM používá lineární dielektrikum, zatímco kondenzátor článku FeRAM používá dielektrickou strukturu, která obsahuje feroelektrikum ( obvykle piezokeramický zirkoničitan titaničitý (PZT ).
Feroelektrikum má nelineární vztah mezi aplikovaným elektrickým polem a uloženým nábojem. Zejména feroelektrická charakteristika má podobu hysterezní smyčky , která je obecně velmi podobná hysterezní smyčce feromagnetických materiálů. Dielektrická konstanta feroelektrika je obecně mnohem vyšší než dielektrika lineárního dielektrika v důsledku účinku semipermanentních elektrických dipólů vytvořených v krystalové struktuře feroelektrického materiálu. Když vnější elektrické pole pronikne dielektrikem, dipóly se vyrovnají se směrem aplikovaného pole, což má za následek mírné posuny atomových pozic a posuny v průchodu elektrického náboje v krystalové struktuře. Po odstranění náboje si dipóly zachovají svůj stav polarizace. Typicky jsou binární "0" a "1" uloženy jako jedna ze dvou možných elektrických polarizací v každé buňce pro ukládání dat. Například „1“ označuje zbytek negativní polarizace „-Pr“ a „0“ označuje zbytek pozitivní polarizace „+Pr“.
FeRAM je funkčně podobný DRAM. Záznam probíhá pronikáním pole přes feroelektrickou vrstvu, když jsou elektrody nabité, což nutí atomy uvnitř zaujmout orientaci nahoru nebo dolů (v závislosti na polaritě náboje), díky čemuž se uloží „1“ nebo „0“. Princip čtení se však od implementace v DRAM liší. Tranzistor uvede článek do speciálního stavu a hlásí "0". Pokud buňka již obsahuje "0", pak se na výstupních řádcích nic nestane. Pokud článek obsahoval „1“, pak přeorientování atomů v mezivrstvě povede ke krátkému výstupnímu pulzu, protože vytlačují elektrony z kovu na „spodní“ straně. Přítomnost tohoto pulzu bude znamenat, že buňka uloží "1". Protože proces přepisuje obsah buňky, čtení z FeRAM je destruktivní proces a vyžaduje regeneraci dat v buňce, pokud se během čtení změní.
Fungování FeRAM je velmi podobné magnetickému jádru paměti , jednomu z prvních typů počítačových pamětí v 60. letech 20. století. Kromě toho byl v roce 1920 objeven feroelektrický jev používaný ve FeRAM. Ale nyní FeRAM vyžaduje mnohem méně energie ke změně stavu polarity (směru) a dělá to mnohem rychleji.
Mezi výhody FeRAM oproti flash paměti patří:
Nevýhody FeRAM zahrnují:
Flash paměťové buňky mohou uložit několik bitů na buňku (aktuálně 3 při nejvyšší hustotě pro NAND flash čipy ) a počet bitů na flash buňku se plánuje zvýšit na 4 nebo dokonce 8 díky novým technologiím v oblasti flash buněk . Rozsah bitové hustoty flash paměti je následně mnohem větší než u FeRAM, a proto jsou náklady na bit flash paměti nižší než u FeRAM.
Hlavním určujícím faktorem ceny paměťového subsystému je hustota komponent. Méně součástek (nebo méně) znamená, že se na jeden čip vejde více buněk, což zase znamená, že z jednoho křemíkového plátku lze najednou vyrobit více paměťových čipů nebo budou tyto čipy prostornější. To zvyšuje příjem , který se přímo odráží v nákladech .
Spodní hranice v tomto procesu škálování je jedním z klíčových bodů srovnání, který je typický pro všechny technologie obecně, škálování na nejmenší velikosti buněk a spočívá na této hranici, která neumožňuje další zlevňování. FeRAM a DRAM mají podobný design a lze je dokonce vyrábět na podobných linkách v podobných velikostech. V obou případech je spodní hranice určena množstvím náboje potřebného ke spuštění snímacího zesilovače. Pro DRAM se to stává problémem při 55nm, protože při této velikosti je množství náboje uloženého v kondenzátoru příliš malé na to, aby jej bylo možné detekovat. Dosud není známo, zda lze FeRAM zmenšit na podobnou velikost, protože hustota náboje na vrstvě PZT nemusí být stejná jako u kovových elektrod v běžném kondenzátoru.
Dalším omezením velikosti je, že materiál ztrácí feroelektrické vlastnosti se silným zmenšením velikosti [5] [6] (tento efekt je spojen s "depolarizačním polem" feroelektrika). V současné době probíhá výzkum problému stabilizace feroelektrických materiálů; Jedním z řešení je například použití molekulárních adsorbátů [5] .
V současné době jsou komerční řešení FeRAM vyráběna v 350nm a 130nm procesech. Dřívější modely vyžadovaly duální buňky FeRAM pro uložení jednoho bitu, což vedlo k velmi nízké hustotě, ale toto omezení bylo od té doby překonáno.
Klíčovou výhodou FeRAM oproti DRAM je to, co se děje mezi cykly čtení a zápisu. V DRAM protéká náboj umístěný na kovových elektrodách izolační vrstvou a řídicím tranzistorem, v důsledku čehož zcela mizí. Také v DRAM, aby byla data uchována déle než několik milisekund, musí být každá buňka periodicky čtena a přepisována, což se nazývá „regenerace“. Každá buňka musí být aktualizována mnohokrát za sekundu (jednou za ~65 ms [7] ), což vyžaduje stálé napájení.
Na rozdíl od DRAM vyžaduje FeRAM energii pouze při skutečném čtení nebo zápisu do buňky. Významná část energie spotřebované DRAM se vynakládá na regeneraci, takže měření citovaná vývojáři TTR-MRAM jsou zde také docela relevantní, což ukazuje na 99% nižší spotřebu energie ve srovnání s DRAM.
Dalším typem energeticky nezávislé paměti je flash paměť , která stejně jako FeRAM nevyžaduje proces obnovy. Flash paměť funguje tak, že protlačí elektrony přes vysoce kvalitní izolační bariéru, kde jsou zachyceny na jednom konci tranzistoru . Tento proces vyžaduje vysoké napětí, které zajišťuje generátor nábojového čerpadla . To znamená, že FeRAM podle návrhu spotřebovává méně energie než flash, alespoň při zápisu, protože spotřeba energie pro zápis do FeRAM je jen o málo vyšší než pro čtení. U zařízení, která jsou převážně čtená, nebudou rozdíly vůbec výrazné, ale u zařízení s vyrovnanější úrovní čtení/zápisu může být rozdíl mnohem výraznější.
Výkon DRAM je omezen úrovní, při které lze proud uložený v článcích „vyčerpat“ (při čtení) nebo „napumpovat“ (při zápisu). V obecném případě je to omezeno možnostmi řídicích tranzistorů, kapacitou vedení napájejících články a také generovanou teplotou.
FeRAM je založen na fyzickém pohybu atomů při vystavení vnějšímu poli, které je extrémně rychlé a trvá přibližně 1 ns. Teoreticky to znamená, že FeRAM může být rychlejší než DRAM. Vzhledem k tomu, že při čtení a zápisu je však nutné buňce dodávat energii, různá zpoždění spojená s napájením a přepínáním sníží výkon na úroveň srovnatelnou s DRAM. Z tohoto důvodu lze říci, že FeRAM vyžaduje méně nabíjení než DRAM, protože čipy DRAM se musí nabíjet , zatímco FeRAM bude přepsána před vybitím náboje. To znamená, že dochází ke zpoždění v psaní kvůli skutečnosti, že náboj musí projít řídicím tranzistorem, což má svá vlastní omezení.
Oproti flash pamětem jsou výhody patrnější. Zatímco čtení má podobný výkon, zápisy využívají čerpání náboje, což vyžaduje značné množství času na „nastavení“, zatímco proces FeRAM nikoli. Paměť Flash obecně trvá zápis bitu asi 1 ms, zatímco i dnešní čipy FeRAM zaberou 100krát méně času.
S teoretickým výkonem FeRAM není vše jasné. Stávající vzorky 350 nm mají časy čtení řádově 50–60 ns. Přestože jsou rychlostí srovnatelné s moderními čipy DRAM, mezi nimiž lze nalézt příklady s hodnotami řádově 2 ns, běžné čipy 350 nm DRAM pracují s dobou čtení řádově 35 ns [8] , takže výkon FeRAM se zdá být srovnatelný s podobným výrobním procesem.
V roce 2005 činily celosvětové prodeje polovodičů 235 miliard USD (odhad Gartner ), přičemž trh s flash pamětí byl oceněn na 18,6 miliardy USD (podle IC Insights) . V roce 2005 měl Ramtron International , pravděpodobně největší dodavatel pamětí FeRAM, tržby ve výši 32,7 milionů $.
V roce 2007 byly čipy FeRAM vyráběny ve specifikacích 350 nm v továrnách Fujitsu a 130 nm v továrnách Texas Instruments, zatímco flash paměti jsou vyráběny pomocí polovodičů Samsung již se specifikacemi 30 nm. Flash paměti je v současné době dominantní energeticky nezávislá paměť ( NVRAM ) a je pravděpodobné, že to tak zůstane minimálně do konce desetiletí. Výrazně vyšší prodeje flash pamětí, srovnatelné s alternativními čipy NVRAM, poskytují mnohem více výzkumu a vývoje.
Na podzim roku 2008 vydala společnost Ramtron International první 1Mbitový čip FM28V100, který znamenal začátek V-rodiny.
Na konci července 2009 společnost oznámila vydání nového paměťového čipu FM28V020 s kapacitou 256 Kbps (logická organizace 32Kx8) z rodiny V-Family s paralelním rozhraním a šířkou datové sběrnice jeden bajt. Pro balení bylo zvoleno standardní pouzdro typu SOIC -28 ; rozsah provozních teplot od −40°C do +85°C [9] .
Na začátku roku 2011 představil Ramtron International řadu čipů se sériovým rozhraním: FM24W256, FM25W256 - 256 Kbps - 2,35 $ za kus. v dávce 10 000 kusů; a paralelní rozhraní: FM16W08 - 64 Kbps - 1,96 $, FM18W08 - 256 Kbps - 3,48 $ [10] . Nová řada W-Family se vyznačuje o 25–50 % nižším proudem v aktivním režimu a 20násobným zkrácením doby inicializace.
V létě 2011 vydala společnost Texas Instruments variantu mikrokontroléru MSP430 s FRAM namísto Flash [11] .
V říjnu 2012 představila společnost Fujitsu Semiconductor Europe (FSEU) čip MB85RC256V s kapacitou 256 Kbps. Garantovaná doba uložení dat je 10 let při teplotě 85°C, počet cyklů čtení/zápis je 1 bilion [12] .
FeRAM i nadále drží extrémně malý podíl na celkovém trhu polovodičů.
Hustotu FeRAM lze zvýšit zlepšením technologie výrobního procesu FeRAM a struktury článku, například vývojem vertikálních struktur kondenzátorů (podobných DRAM), aby se zmenšila oblast působení na článek. Zmenšení buňky však může způsobit, že náboj pro ukládání dat bude příliš slabý na to, aby byl detekován. V roce 2005 Ramtron oznámil významný prodej produktů FeRAM v různých sektorech trhu, včetně (ale nejen) elektronického měření, dopravního vybavení ( černé skříňky a chytré airbagy ), obchodního a kancelářského vybavení (tiskárny a řadiče RAID ). ), měřicích přístrojů , lékařské vybavení, průmyslové mikrokontroléry a čipy RFID . Jiné existující čipy NVRAM, jako je MRAM , mohou zaujmout své místo v podobných mezerách na trhu a konkurovat FeRAM.
Při výrobě konvenčních polovodičů CMOS je možné začlenit články FeRAM pomocí dvou dodatečných kroků masky [13] . Flash paměť obvykle vyžaduje devět masek. To umožňuje například integrovat FeRAM do mikrokontrolérů , kde by jednodušší proces snížil náklady. Materiály používané při výrobě čipů FeRAM se však při výrobě obvodů CMOS příliš nepoužívají. Feroelektrická vrstva PZT i ušlechtilé materiály použité při výrobě elektrod způsobují v CMOS proces oxidace a vzájemného poškozování.