鐵電存貯器FRAM技術原理

1 引言

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

鐵電晶體材料的工作原理是：當我們把電場加載到鐵電晶體材料上時，晶陣中的中心原子會沿著電場方向運動，最后到達穩(wěn)定狀態(tài)。晶陣中的每個自由浮動的中心原子只有兩個穩(wěn)定狀態(tài)。一個記憶邏輯中的0，另一個記億1。該中心原子能在常溫且沒有電場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刷新便能在斷電情況下保存數(shù)據(jù)。

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

2 存貯器的基礎知識

　　傳統(tǒng)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，它們在沒有電源的情況下都不能保存數(shù)據(jù)，但這種存貯器擁有快速、易用及性能好等優(yōu)點。

　　而非易失性記憶體（像EPROM，EEPROM和FLASH）則可在斷電后繼續(xù)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，所以它們都有不易寫入的缺點。確切的說，這些缺點包括寫入緩慢、寫入次數(shù)有限以及寫入時需要較大功耗等。

　　圖1是16kB鐵電存貯器（FRAM）和16kBEEP－ROM的性能比較。可以看出：FRAM第一個最明顯的優(yōu)點是FRAM可以跟隨總線速度（busspeed）寫入。與EEPROM的最大不同便是FRAM在寫入后無須任何等待時間。而EEPROM則要等待幾毫秒（ms）才能寫進下一筆資料。


　　鐵電存貯器（FRAM）的第二大優(yōu)點是幾乎可以無限次寫入。當EEPROM只能應付十萬（10的5次方）至一百萬次寫入時，新一代的鐵電存貯器（FRAM）已可達到一億個億次（10的16次方）的寫人壽命。

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

　　表1給出了16kB內存在總線速度為400kHz時，F(xiàn)M24C16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技術的優(yōu)點，又同時擁有ROM技術的非易失性特點。因此，為業(yè)界提供了一個嶄新的存貯器產品：一個非易失性的RAM。

3 FRAM鐵電存貯器的應用

　　通常人們往往用EEPROM來存儲設置資料和啟動程序，而用SRAM來暫存系統(tǒng)或運算變數(shù)。但如果掉電后這些數(shù)據(jù)仍需保留的話，人們會通過加上后備電池的方法去實現(xiàn)。很久以來，人們都沒有檢驗這種記憶體架構的合理性。鐵電存貯器（FRAM）的出現(xiàn)為大家提供了一個簡潔而高性能的一體化存貯技術的新構想。

3．1 數(shù)據(jù)采集和記錄

　　鐵電存貯器（FRAM）的出現(xiàn)使工程師可以運用非易失性的特點進行多次高速寫入。而在這以前，在只有EEPROM的情況下，大量數(shù)據(jù)采集和記錄對工程師來說是一件非常頭疼的事。

數(shù)據(jù)采集包括記錄和貯存數(shù)據(jù)。更重要的是能在失去電源的情況下不丟失任何資料。在數(shù)據(jù)采集的過程中，通常數(shù)據(jù)均需要不斷高速寫入并對舊資料進行更新。 EEPROM的寫入壽命和速度往往不能滿足要求。而現(xiàn)在的FRAM便可在現(xiàn)代儀表（電力表，水表，煤氣表，暖氣表，記程車表）、測量、醫(yī)療儀表、非接觸式聰明卡（RFID）、門禁系統(tǒng)以E及汽車記錄儀（了解汽車事故的黑匣子）等系統(tǒng)中得到廣泛的應用。

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

　　以往在只有EEPROM的情況下，由于寫入次數(shù)的限制，工程師們只能在偵測到掉電的時候，才把更新了的配置參數(shù)及時地存進EEPROM里。這種做法很明顯地存在著可靠性問題。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時記錄最新的配置參數(shù)。從而免去了是否能在掉電時及時寫入的憂慮。因此可廣泛用于電子電話簿、影印機、打印機、工業(yè)控制、機頂盒（Set－Top－Box）、網絡設備、TFT屏顯、游戲機、自動販賣機等系統(tǒng)。

3．3 非易失性緩沖（buffer）記憶

　　鐵電存貯器（FRAM）無限次快速擦寫特性使得這種產品十分適合于擔當重要系統(tǒng)里的暫存（buffer）記憶體。在一些重要系統(tǒng)里，往往需要把資料從一個子系統(tǒng)非實時地傳到另一個子系統(tǒng)去。由于資料的重要性，緩沖區(qū)內的數(shù)據(jù)在掉電時不能丟失。以往，工程師們只能通過SRAM加后備電池的方法去實現(xiàn)。這種方法隱藏著電池耗盡，化學液體泄出等安全和可靠性問題。鐵電存貯器（FRAM）的出現(xiàn)為業(yè)界提供了一個高可靠性，而且低成本的方案。從而使得用于銀行自動提款機（ATM）、稅控機、商業(yè)結算系統(tǒng)（POS）、傳真機等系統(tǒng)中時更加安全可靠。

3．4 SRAM的取代和擴展

　　鐵電存貯器（FRAM）以其無限次快速擦寫和非易失性等特點，令系統(tǒng)工程師可以把現(xiàn)在在線路板上分離的SRAM和EEPROM器件整合到一個鐵電存貯器（FRAM）里。從而為整個系統(tǒng)節(jié)省出更多的功率、成本和空間。同時也增加了整個系統(tǒng)的可靠性。 不難設想，人們可以用鐵電存貯器（FRAM）加一個便宜的單片機（microcontroller）來取代一個較貴的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產品可為單片機（microcontroller）配選最少的接線。而SPI產品雖然需要多一至兩個接線，但具有高速和通訊協(xié)議簡單的優(yōu)點。
表2給出了RAMTRON串行FRAM產品的型號及其參數(shù)。表3所示列為并列FRAM的型號參數(shù)。




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。系統(tǒng)工程師再不需要擔心電池干涸，也不需要系統(tǒng)里加上笨拙的機械裝置。FRAM的封裝就象SRAM一樣有簡單的貼片封裝（SOIC）或插腳封裝（DIP），從而使您可以放心將電池仍掉了！