PAMIĘCI FRAM

Przygotowane przez:

Michał Zając,

Sebastian Szymala.

SPIS TREŚCI

1. Charakterystyka monokryształu.

2. Budowa pojedynczej komórki

3. Pamięć jako zespół komórek

4. Wady oraz zalety technologii FRAM

5. Praktyczne zastosowanie pamięci ferroelektrycznej

6. Podsumowanie przedstawionych informacji

1. Charakterystyka monokryształu.

Najmniejszym a zarazem najważniejszym elementem składowym pamięci FRAM (FeRAM,

Ferroelectric RAM) są kryształy roztworu stałego cyrkonianu i tytanianu ołowiu. Roztwór ten nazywany w skrócie PZT jest substancją ferroelektryczną posiadającą rozróżnialne stany „trwałej” polaryzacji - w przypadku kryształów PZT występują dwa stany znaczące mogące definiować odpowiednio wartości „0” (polaryzacja dodatnia) oraz „1” (polaryzacja ujemna).

Zmiana stanu w jakim znajduje się pojedynczy kryształ PZT może nastąpić tylko i wyłącznie poprzez działanie pola elektrycznego - przesunięcie cząsteczki Zr/Ti wymaga dostarczenia przez odpowiednio skierowane pole ściśle określonej ilości energii. Dzięki „trwałemu” charakterowi przypisania stanu w poprawnie izolowanym układzie kryształów PZT raz zapisana informacja może być więc przechowywana teoretycznie w nieskończoność (pamięć nieulotna).

Do odczytywania informacji z krystalicznej struktury ferroelektryka PZT wykorzystuje się porcjowane promieniowanie UV - po zderzeniu promieniowania z siecią krystaliczną badane są jego właściwości zwrotne co pozwala ustalić w którym ze stanów spolaryzowania znajduje się obecnie kryształ. Zastosowanie tej metody ma kluczowe znaczenie dla żywotności struktury krystalicznej oraz trwałości zawartej w niej informacji ponieważ jest to metoda nieinwazyjna umożliwiająca znaczące zwiększenie ilości cyklów odczytu dostępnych dla każdego z kryształów PZT komórek pamięci FeRAM. Inną częściej spotykaną obecnie metodą jest metoda pomiaru pochłoniętej przez kryształ energii - w tym celu przez strukturę krystaliczną przepuszczane jest pole elektryczne niosące ściśle określoną energię (znacznie mniejszą niż ilość energii potrzebna do zmiany stanu) a następnie badane jest jak wiele z tej energii zostało pochłonięte. Metoda ta wymaga jednolitego strumienia elektrycznego który poruszając się zawsze w jednym kierunku pomaga ustalić który z stanów polaryzacji posiada obecnie kryształ. Dużym minusem jej jest konieczność odświeżenia stanu kryształu tak aby nie doszło do sytuacji kiedy po serii kilku odczytów informacja zapisana w sieci krystalicznej ulega zmianie.

2. Budowa pojedynczej komórki

Obecnie spotkać się można z dwoma koncepcjami realizacji pamięci opartej o ferroelektryk typu PZT - standardowym FRAM oraz bardziej rozwojową pamięcią łańcuchową FRAM (CFRAM). FRAM łańcuchowy w przeciwieństwie do standardowego zakłada równoległe połączenie kondensatora i tranzystora umożliwiające zmniejszenie średniego rozmiaru pojedynczej komórki nawet do 50% względem konwencjonalnej komórki FRAM.

Zastosowanie konfiguracji 1T/1C pozwala nie tylko na budowę pamięci o większej pojemności ale i podniesionej wydajności - liczba linii przypadająca na każdą gałąź została zmniejszona z dwóch do jednej znaczącej, zminimalizowano również ilość linii wyboru bitu co w rezultacie pozwoliło na wprowadzenie mniejszych kondensatorów ferroelektrycznych. Wydaje się iż to właśnie technologia CFRAM dzięki optymalnemu wykorzystywaniu przestrzeni jest najlepszym kandydatem jeżeli chodzi o budowę stabilnych pamięci nieulotnych FeRAM o wyższych pojemnościach. Mimo iż komórki konwencjonalnego FRAM-u charakteryzują się znacznie większą odpornością na szumy co ułatwia operowanie na niskich wartościach napięcia i zwiększa bezpieczeństwo przechowywanych danych to nie są w stanie sprostać obecnemu zapotrzebowaniu przez co szybko tracą na znaczeniu. Wiodący na dzień dzisiejszy producent pamięci nieulotnych typu FeRAM jakim jest Toshiba rozwija architekturę łańcuchową nieustannie podnoszą nie tylko wydajność samych komórek ale i całych ich zespołów składających się na pamięć właściwą dążąc do stworzenia szybkiej pamięci nieulotnej (połączenie zalet DRAM-u oraz pamięci flash) poprzez technologię opartą na ferroelektrykach typu PZT.

3. Pamięć jako zespół komórek

Dostępne obecnie na rynku pamięci nieulotne typu FeRAM realizowane są niemal całkowicie przy wykorzystaniu wspomnianej już koncepcji pamięci łańcuchowej usprawniającej działanie układu zarówno na poziomie pojedynczych komórek jak i całych gałęzi. Zmniejszona liczba linii adresowania pozwala na skrócenie czasu dostępu do komórek podczas odczytu oraz zapisu danych co czyni nieulotną pamięć ferroelektryczną jeszcze wydajniejszą zaś wzrost współczynnika upakowania komponentów układu umożliwia tworzenie pamięci posiadających większą liczbę komórek na obszarze o niezmienionych wymiarach. W lutym 2009 roku firma Toshiba wypuściła na rynek kości pamięci FeRAM które można uznać za wzorcowy przykład obowiązujących trendów. W układzie tym zastosowano model ulepszonej architektury łańcuchowej dla pamięci FeRAM (Improved ChainFeRAM TM architecture) który pozwolił uzyskać parametry wielokrotnie przewyższające te występujące w innych produktach tego typu dostępnych na rynku. Prędkość zapisu oraz odczytu rzędu 1.6 GB/s, pojemność równa 128 Mb, czas dostępu 43 ns, czas cyklu 83 ns - dane te potwierdzają wysoką wydajność zaproponowanej architektury. Układ ten działa w oparciu o zasadę iż sąsiadujące ze sobą linie współpracują wzajemnie realizując sekwencyjność dostępu to znaczy jeżeli jedna z nich jest aktywna to druga w tym samym czasie pozostaje wyłączona - ułatwia to synchronizację oraz podnosi wydajność podczas wykonywania kolejnych operacji. Interesującą innowacją w przypadku tej architektury jest możliwość dołączenia obwodu przewidującego prawdopodobne wahania napięć występujące podczas cyklu zapisu oraz odczytu i eliminującego takowe poprzez odpowiednią manipulację napięcia zasilania (umożliwia to między innymi dodanie do urządzenia interfejsu DDR2).

4. Wady oraz zalety technologii FRAM

Najważniejszą zaletą pamięci FeRAM jest niewielkie zużycie energii które czyni z niej groźnego rywala dla pozostałych pamięci nieulotnych dostępnych na rynku. Nie sposób pominąć również krótkiego czasu trwania cyklu zapisu (dla EEPROM około 10ms zaś dla FRAM tylko 150ns!) oraz odczytu co w połączeniu z ogromną ilością możliwych cykli (nawet do 1000000 razy więcej cykli zapisu niż w przypadku pamięci flash!) stawia pamięć ferroelektryczną na pierwszym miejscu jeżeli chodzi o wykorzystanie w urządzeniach przenośnych. Nie ma jednak rzeczy doskonałych - dość duży rozmiar pojedynczej komórki (np. w porównaniu do komórek pamięci flash) czy też ograniczona ilość cykli odczytu uniemożliwia wykorzystanie FeRAM-u podczas budowy niektórych szczególnie wymagających urządzeń. Problematyczna jest także kwestia odświeżania zapisanych na nośniku informacji - pomimo licznych modyfikacji i zaimplementowania nowych rozwiązań nadal sprawia ona pewne problemy. Warto zwrócić uwagę również na kłopoty związane z kompatybilnością technologii zastosowanej w nieulotnej pamięci ferroelektrycznej względem technologii CMOS mogące stanowić poważne utrudnienie przy wdrażaniu FeRAM-u do użytku powszechnego.

5. Praktyczne zastosowanie pamięci ferroelektrycznej

Pamięć FeRAM nie jest w chwili obecnej pamięcią stosowaną w sposób powszechny jednakże jest wciąż rozwijana w kierunkach które czynią jej wykorzystywanie coraz bardziej opłacalnym. Coraz niższe zużycie energii, wzrastająca prędkość i żywotność oraz fakt iż w przeciwieństwie do pamięci SDRAM jest to pamięć nieulotna czyni z niej doskonałego następce dla obecnie stosowanych typów pamięci zwłaszcza jeżeli chodzi o urządzenia mobilne takie jak np. PDA, telefony komórkowe czy też karty pamięci. Doskonałym przykładem zastosowania przewagi jaką posiada FeRAM w życiu codziennym są będące w seryjnej produkcji inteligentne torby podróżne - nie tylko realizują one zapisane w pamięci instrukcje ale czynią to na tyle szybko iż potrafią przeciwdziałać nagłym zdarzeniom (np. uruchomienie dodatkowych zabezpieczeń przy upadku nawet z niewielkiej wysokości). Niektóre modele wspomnianych toreb podróżnych posiadają nawet własne obszary pamięci pełniące role czarnej skrzynki i zapisujące nawet najbardziej szczegółowe informacje niemalże natychmiast po ich uzyskaniu. Wraz z kolejnymi krokami w rozwoju technologii FeRAM z pewnością będzie on coraz częściej pojawiał się w różnego rodzaju urządzeniach aż stanie się właściwie niezastąpiony w większości prac wykonywanych obecnie przez pamięci SDRAM, EEPROM czy też flash.

6. Podsumowanie przedstawionych informacji

Literatura:

1. http://en.wikipedia.org/

2. http://mif.duo.netstrefa.pl/

3. http://www.ramtron.com/

4. http://www.toshiba.com/

5. http://www.iwe.rwth-aachen.de/

6. http://www.ecnasiamag.com/

Struktura kryształu PZT

Schemat komórki FRAM Schemat komórki CFRAM

Budowa pojedynczego bitu pamięci FeRAM

Ulepszona architektura łańcuchowej pamięci FeRAM

Przykładowa tabela porównawcza dostępnych typów pamięci

---