Сегнетоэлектрическая оперативная память (ferroelectric RAM, FeRAM или FRAMFeRAM — наиболее распространённый акроним для сегнетоэлектрической оперативной памяти.) — оперативная память, по своему устройству схожая с DRAM, использующая слой сегнетоэлектрика вместо диэлектрического слоя для обеспечения энергонезависимости.
История Первые сведения об использовании сегнетоэлектриков в цифровых запоминающих устройствах относятся к 1970-м годам. В СССР было опубликовано авторское свидетельство № 690564 и выпущены микросхемы сегнетоэлектрической памяти серии 307РВ1. Однако сложности использования, в частности, необходимость в высоких напряжениях, не позволили технологии получить широкое распространение.
Разработка современной технологии FRAM началась в конце 1980-х годов. В 1991 году проводилась работа в Лаборатории реактивного движения NASA по улучшению методов чтения, включая новый метод неразрушающего чтения при помощи импульсов ультрафиолетового излученияOptically Addressed Ferroelectric Memory with Non-Destructive Read-Out .
Значительная часть нынешней технологии FRAM была разработана бесфабричной компанией , специализирующейся в области полупроводниковой промышленности. Одним из главных лицензиатов стала Fujitsu, обладающая, по некоторым оценкам, крупнейшей базой по производству полупроводников, в том числе производственной линией, подходящей для выпуска FRAM. С 1999 года они использовали эту линию для выпуска отдельных чипов FRAM наряду со специализированными чипами (например, чипы для смарт-карт) со встроенной памятью FRAM. Это прекрасно вписывалось в планы Fujitsu по производству устройств, разработанных компанией Ramtron.
Начиная с 2001 года компания Texas Instruments начинает сотрудничество с Ramtron в области разработки тестовых чипов FeRAM по обновлённому процессу в 130 нанометров. Осенью 2005 года Ramtron объявила, что им удалось значительно улучшить прототипы 8-мегабитных FRAM-чипов, произведённых с использованием мощностей Texas Instruments. В том же году Fujitsu и Seiko-Epson начали сотрудничество в области разработки 180-нм FRAM-техпроцесса.
Об исследовательских проектах в области FRAM заявили Samsung, Matsushita, Oki, Toshiba, Infineon, Hynix, Symetrix, Кембриджский университет, Торонтский университет и Interuniversity Microelectronics Centre (ИМЕК, Бельгия).
Этапы создания
Основные 1984 год — американская фирма (впоследствии куплена ) приступила к разработке технологии производства запоминающих устройств FRAM.
1989 год — введена в эксплуатацию первая фабрика для производства FRAM.
1993 год — первый коммерческий продукт (микросхема FRAM с объёмом ЗУ 4 Kбит) запущена в серийное производство.
1996 год — налажено производство микросхемы FRAM объёмом 16 Kбит.
1998 год — массовое производство FRAM по технологии с топологической нормой 1,0 мкм.
1999 год — массовое производство FRAM по 0,5 мкм технологии, микросхемы FRAM с объёмом памяти 64 Kбит и 256 Kбит.
2000 год — производство микросхем FRAM объёмом 1 Mбит с ячейкой типа 1T1C, начало производства микросхем FRAM с напряжением питания 3 В.
2001 год — введение технологии производства FRAM с топологической нормой 0,35 мкм.
Описание
Обычная DRAM-память состоит из матрицы маленьких конденсаторов и связанными с ними транзисторами. Каждый элемент хранения информации состоит из одного конденсатора и одного транзистора, подобная схема также называется устройством «1T-1C».
Размеры элемента DRAM определяются напрямую технологическими нормами процесса производства полупроводников используемого при их производстве. Например, согласно 90-нм процессу, используемому большинством производителей памяти при производстве DDR2 DRAM, размер элемента составляет 0,22 , что включает в себя конденсатор, транзистор, их соединение, а также некоторое количество пустого пространства между различными частями — как правило, элементы занимают 35 % пространства, оставляя оставшиеся 65 % в качестве пустого пространства.
Данные в DRAM хранятся в виде наличия или отсутствия электрического заряда на конденсаторе, причём отсутствие заряда обозначается как «0». Запись производится путём активации соответствующего управляющего транзистора, позволяющего заряду «стечь» для запоминания «0», или, наоборот, пропустить заряд в ячейку, что будет обозначать «1». Считывание происходит весьма схожим образом: транзистор вновь активируется, стекание заряда анализируется усилителем считывания. Если импульс заряда отмечается усилителем, то ячейка содержала заряд и таким образом считывается «1», отсутствие подобного импульса означает «0». Этот процесс деструктивен, то есть ячейка считывается один раз; если она содержала «1», то должна быть перезаряжена для продолжения хранения этого значения. Так как ячейка теряет свой заряд через некоторое время из-за утечек, то через определённые промежутки времени требуется регенерация её содержимого.
Ячейка типа 1T-1C, разработанная для FRAM, схожа по своему устройству с обоими типами ячеек, широко используемыми в DRAM-памяти, включая структуру состоящую из одного конденсатора и одного транзистора. В конденсаторе DRAM-ячейки используется линейный диэлектрик, тогда как в конденсаторе FRAM-ячейки применяется диэлектрическая структура, включающая в себя сегнетоэлектрик (обычно его роль играет пьезокерамика на основе цирконат-титаната свинца (PZT)).
Сегнетоэлектрик обладает нелинейной связью между приложенным электрическим полем и хранимым зарядом. В частности, сегнетоэлектрическая характеристика имеет вид петли гистерезиса, которая, в общих чертах, очень схожа с петлёй гистерезиса ферромагнитных материалов. Диэлектрическая константа сегнетоэлектрика, как правило, значительно выше чем у линейного диэлектрика вследствие эффекта полупостоянных электрических диполей, формируемых в кристаллической структуре сегнетоэлектрического материала. Когда внешнее электрическое поле проникает через диэлектрик, диполи выравниваются по направлению прикладываемого поля, приводя к небольшим смещениям позиций атомов и смещениям прохождения электрического заряда в кристаллической структуре. После удаления заряда диполи сохраняют своё состояние поляризации. Обычно двоичные «0» и «1» хранятся в виде одной из двух возможных электрических поляризаций в каждой ячейке хранения данных. Например, под «1» понимается отрицательный остаток поляризации «-Pr», а под «0» — положительный остаток поляризации «+Pr».
Функционально FRAM похожа на DRAM. Запись происходит путём проникновения поля через сегнетоэлектрический слой при заряжании электродов, принуждая атомы внутри принимать ориентацию вверх или вниз (в зависимости от полярности заряда), за счёт чего запоминается «1» или «0». Однако принцип чтения отличается от реализации в DRAM. Транзистор переводит ячейку в особое состояние, сообщая «0». Если ячейка уже содержит «0», то на линиях вывода ничего не произойдёт. Если ячейка содержала «1», то переориентация атомов в прослойке приведёт к короткому импульсу на выходе, так как они вытолкнут электроны из металла на «нижней» стороне. Наличие этого импульса будет означать, что ячейка хранит «1». Так как процесс перезаписывает содержимое ячейки, то чтение из FRAM — деструктивный процесс, и требует регенерации данных в ячейке в случае их изменения в ходе считывания.
Функционирование FRAM весьма напоминает память на магнитных сердечниках — один из первых видов компьютерной памяти в 1960-х годах. Кроме того, сегнетоэлектрический эффект, используемый в FRAM, был открыт в 1920 году. Но теперь FRAM требует намного меньше энергии для изменения состояния полярности (направления), причём выполняет это гораздо быстрее.
Сравнение с другими системами Среди преимуществ FRAM перед флэш-памятью: низкое энергопотребление; быстрая запись информации; существенно увеличенное максимальное число (превышающее 1014 для устройств, рассчитанных на 3,3 В) циклов перезаписи. К недостаткам FRAM относят: гораздо более низкую плотность размещения информации; ограниченную ёмкость накопителей; более высокую стоимость.
Ячейки флэш-памяти могут хранить несколько битов на ячейку (на данный момент 3 при высшей плотности для флэш-чипов типа NAND), причём количество бит на флэш-ячейку планируется увеличить до 4 или даже 8 благодаря новым технологиям в области создания флэш-ячеек. Диапазон плотности бит флэш-памяти, как следствие, значительно больше, чем у FRAM, и таким образом, стоимость бита флэш-памяти ниже.
Плотность Главным определяющим фактором стоимости подсистемы памяти является плотность размещения компонентов. Уменьшение компонентов (или их количества) означает, что большее количество ячеек может уместиться в одном чипе, что, в свою очередь, означает, что за один раз из одной кремниевой пластины может быть произведено больше чипов памяти или эти чипы будут более ёмкими. Это повышает доход, что напрямую отражается на стоимости.
Ограничение снизу в этом процессе масштабирования — один из ключевых пунктов сравнения, что характерно для всех технологий вообще, масштабируемых до наименьших размеров ячейки и упирающихся в этот предел, что не позволяет им дальше дешеветь. FRAM и DRAM схожи по своей конструкции, причём даже могут быть произведены на схожих линиях при схожих размерах. В обоих случаях нижний предел определяется величиной заряда, необходимой триггеру усилителя считывания. Для DRAM это превращается в проблему при 55 нанометрах, так как при таком размере величина заряда, хранимого конденсатором, становится слишком маленькой для обнаружения. Пока неизвестно, может ли FRAM быть уменьшена до аналогичного размера, так как плотность заряда на PZT-слое может не быть такой же, как и у металлических электродов в обычном конденсаторе.
Дополнительным ограничением по размеру является то, что материал теряет сегнетоэлектрические свойства при сильном уменьшении размеровFerroelectric Phase Transition in Individual Single-Crystalline BaTiO3 Nanowires . См. также по этому поводу пресс-релиз .Junquera and Ghosez, Nature, 2003, DOI 10.1038/nature01501 (этот эффект связан с «деполяризационным полем» сегнетоэлектрика). На данный момент ведутся исследования, посвящённые проблеме стабилизации сегнетоэлектрических материалов; одним из решений, например, является использование молекулярных адсорбатов.
В настоящее время коммерческие решения FRAM производятся по 350- и 130-нанметровым процессам. Ранние модели требовали применения сдвоенных FRAM-ячеек для хранения одного бита, что снижало плотности размещения, но это ограничение впоследствии было преодолено.
Энергопотребление Ключевым преимуществом FRAM перед DRAM является то, FRAM не теряет постепенно информацию как DRAM. В DRAM в режиме хранения накопленный на металлических электродах заряд стекает через изоляционный слой и закрытый управляющий транзистор, в результате чего исчезает совсем. Поэтому в DRAM для хранения данных дольше нескольких миллисекунд каждая ячейка должна периодически считываться и перезаписываться, что получило название «регенерации». Каждая ячейка должна обновляться множество раз в секунду (раз в ~65 милисекундTN-47-16: Designing for High-Density DDR2 Memory ), что требует постоянного источника питания.
В отличие от DRAM, FRAM требует питания только при считывании или записи. Значительная часть энергии, используемой DRAM, тратится на регенерацию, поэтому результаты измерений, на которые ссылаются разработчики TTR-MRAM, здесь также вполне уместны, свидетельствуя об энергопотреблении на 99 % ниже по сравнению с DRAM.