Co je to FRAM?

FRAM (zkratka výrazu Ferroelectric Random Access Memory) je stálá paměť, která dokáže udržovat data i po vypnutí napájení. Navzdory názvu je FRAM feroelektrická paměť a není ovlivněna magnetickými poli, protože se v čipu nenachází železný materiál (železo). Feroelektrické materiály přepínají svoji polaritu v elektrickém poli, ale magnetickými poli ovlivněny nejsou.

Jaké jsou hlavní výhody paměti FRAM oproti paměti typu Flash / EEPROM?

1) Rychlost

Paměť FRAM zapisuje rychle. Oproti všem ostatním operacím je skutečná doba zápisu do paměťové buňky paměti FRAM kratší než 50 ns. To je zhruba 1000krát rychlejší než u pamětí EEPROM. Navíc, na rozdíl od paměti EEPROM, kde pro zápis dat musí být použity dva kroky, funkce zápisu do paměti FRAM probíhá jinak. Existuje pouze jeden příkaz pro přístup do paměti, jeden krok pro čtení nebo zápis. Ve skutečnosti je všechen čas spojený s operací zápisu do paměti EEPROM eliminován v rámci inteligentního integrovaného obvodu, založeného na paměti FRAM.

2) Nízká spotřeba

Zápisy do buňky paměti FRAM probíhají při nízkém napětí a ke změně dat stačí velmi malý proud. U pamětí EEPROM potřebujeme velká napětí. Paměť FRAM používá velmi malé napájení – 1,5 V oproti 10 – 14 V u pamětí EEPROM. Nízké napětí paměti FRAM znamená nízkou spotřebu a umožňuje lepší funkčnost při vyšších rychlostech operací.

3) Spolehlivost dat

Protože je vyžadováno pouze malé množství energie, je všechen nezbytný proud pro paměť FRAM zajištěn dopředu, již na začátku zápisu dat. Tím se předchází „roztržení dat“ (částečnému zápisu dat), ke kterému dochází u inteligentních IO, založených na pamětech EEPROM při jejich vyjmutí ze zdroje energie vysokofrekvenčního pole během cyklu zápisu. Navíc paměť FRAM umožňuje 100 bilionů nebo ještě více cyklů čtení / zápis, což mnohonásobně překračuje cykly zápisu do paměti EEPROM.

Jak se paměť FRAM chová při vysokých teplotách?

FRAM je velmi robustní a spolehlivá technologie paměti i při vysokých teplotách. Paměť FRAM si udržuje svá data po více než 10 let při teplotě 85 °C. To mnohonásobně překračuje povinné specifikace na trhu identifikace a zajišťuje robustní uchování dat v pamětech FRAM. FRAM se používá v různých aplikacích automobilového průmyslu a je ceněna, protože odolává extrémně náročným podmínkám.

Má paměť FRAM stejný problém se škálovatelností jako paměti Flash / EEPROM?

Na rozdíl od FRAM používají paměti typu Flash / EEPROM návrh úložiště, založený na nábojovém izolovaném hradlu, které nutně vyžaduje vysoké napětí a drahé obvody náročné na spotřebu a prostor, jako jsou tranzistory a nábojové pumpy. Omezením všech těchto starších vysokonapěťových obvodů je, že je nelze jednoduše zmenšovat na výrobu stále menších uzlových bodů IO. Pokročilý 130nanometrový výrobní proces pamětí FRAM společnosti TI produkuje čipy, které jsou daleko menší než při velikosti uzlových bodů 180 – 220 nm, používaných většinou mikrokontrolérů s vestavěnými paměťmi, založenými na Flash a EEPROM, což dává produktům FRAM významnou výhodu v otázce velikosti, výkonnosti a výkonové efektivitě. Proces výroby FRAM je plně kompatibilní s digitálními procesy CMOS, takže se používaná technologie může jednodušeji přizpůsobit budoucí technologii menších uzlových bodů.

Ztratí paměť FRAM po přečtení data?

Ne. FRAM je energeticky nezávislá paměť, která uchovává zapsaná data i po vypnutí napájení. Podobně jako paměti DRAM (Dynamic Random Access Memory), které se běžně používají ve velkých (hlavních) paměťových modulech v osobních počítačích, pracovních stanicích a herních konzolích (PlayStation a XBox), vyžaduje paměť FRAM obnovení po každém čtení. Obnovení paměti se provádí, protože paměťové buňky FRAM podobně jako u DRAM vyžadují, aby byl každý bit, na který byl proveden přístup, přepsán funkcí obnovení. Protože má FRAM nevyčerpatelnou životnost zápisů (100 bilionů cyklů čtení / zápis), nejedná se o žádný problém.

Nevzbuzuje nová vestavná technologie paměti FRAM bezpečnostní obavy?

FRAM se již používá v aplikacích čipových karet pro bankovní aplikace, v dopravě a v set-top boxech. V porovnání se současnými technologiemi EEPROM je paměť FRAM více odolná vůči poškození dat elektrickými poli, radiací atd. Velmi rychlé doby zápisu a 130nanometrový výrobní proces znesnadňují přístup útočníkům. Nižší spotřeba energie paměti FRAM (a skutečnost, že spotřebuje stejné množství energie pro čtení i zápis) z ní dělá obtížnější cíl útoků pomocí technik analýzy rozdílového výkonu.

Jsou zařízení s pamětí FRAM ovlivňována magnetickými poli?

Často se vyskytující představa, že feroelektrické krystaly obsahují železo nebo jsou feromagnetické či mají podobné vlastnosti, je mylná. Výraz „feroelektrický“ totiž nesmíme zaměňovat s označením „feromagnetický“. Bude to pouze vztah mezi napětím a nábojem feroelektrického materiálu, co nám připomíná hysterezní charakter feromagnetického materiálu (viz obr.). Protože tedy paměť typu FRAM neobsahuje železo a není feromagnetická, neovlivníme ji ani magnetickými poli.

Jak velkému elektrickému poli dokáže zařízení s pamětí FRAM odolat?

Paměťová buňka FRAM aplikuje odpovídající napětí pro snímání a obnovení stavu - dat. Feroelektrická vrstva PZT je tenká zhruba 70 nm. Je-li součástka umístěna do 50 kV pole ve vzdálenosti 1 cm, není možné napříč feroelektrickou vrstvou vyvinout napětí větší než 1 V. Z praktického hlediska tedy FRAM odolávají vnějším elektrickým polím. Samotná buňka byla navržena tak, aby k aktivaci docházelo na energetických úrovních, generovaných při více než 1,5 V, což představuje další bezpečnostní rezervu.

Je paměť FRAM ovlivněna radiací nebo náhodnými chybami?

Nestálé paměti DRAM a SRAM používají kondenzátor k uložení náboje nebo jednoduchý asynchronní klopný obvod k uložení stavu. Tyto buňky mohou být jednoduše narušeny částicemi alfa, kosmickým zářením, těžkými ionty, zářením gama, rentgenovým zářením atd., což způsobuje překlopení bitů do opačného stavu. Říkáme tomu náhodná chyba, protože následující zápis zůstane zachován. Míra, se kterou k tomuto jevu dochází, se nazývá četnost výskytu náhodných chyb (SER) zařízení. Protože buňka FRAM ukládá stav jako polarizaci vrstvy PZT, částice alfa velmi pravděpodobně nezpůsobí, aby polarizace změnila stav dané buňky a pozemská četnost SER paměti FRAM dokonce není ani měřitelná.

Tato „odolnost proti radiaci“ dělá paměť FRAM atraktivní pro využití v některých, právě se rozvíjejících lékařských aplikacích.

Na co se v oboru FRAM zaměřuje společnost TI?

Společnost TI vyrábí v současné době samostatné paměťové struktury FRAM (Ramtron), ale její interní zaměření je na

• vestavné paměti FRAM; úspěšně jsme navrhli pole o velikosti až 32 Mb,

• paměti FRAM jako skutečnou technologii NVRAM, nahrazující vyrovnávací paměti SRAM, DRAM, Flash / EEPROM a

• podporu 1,5 V provozu pro aplikace s nízkou spotřebou.

Zatímco FRAM nabízí bezkonkurenční flexibilitu a výhody zákazníkům, výchozí implementace a návrhy jsou optimalizovány pro cílové oblasti nasazení. Musíme zdůraznit, že technologie FRAM může podporovat aplikace s vysokým výkonem i s nízkou spotřebou; naše současné návrhy polí FRAM jsou ale optimalizovány pro činnost s nízkou spotřebou. Mezi faktory, které je třeba v našich úvodních návrzích FRAM zvážit, patří:

• Nejlépe vyhovují zařízením, která pracují na kmitočtu menším než 25 MHz. Očekáváme ale, podobně jako u všech jiných technologických vývojů, že v budoucnu budeme navrhovat paměťová pole FRAM vyššího výkonu, která podporují zařízení, pracující na daleko vyšších taktovacích kmitočtech.

• Jak bylo uvedeno výše, předpokládáme, že několik našich výchozích paměťových struktur FRAM bude zatím používat konfiguraci 2T-2C (pro každý bit dat jsou použity 2 buňky).

• Společnost TI zároveň nezaměřuje své vestavné produkty FRAM na automobilové aplikace.

Je F-RAM a FeRAM totéž jako FRAM?

Ano. Výrazy F-RAM, FeRAM a FRAM jsou synonyma. Společnost Texas Instruments se rozhodla použít zkratku „FRAM“, zatímco společnost Ramtron si vybrala „F-RAM“.

Jsou na trhu komerčně dostupné produkty FRAM?

Paměti FRAM jsou již na polovodičovém trhu komerčně prověřeny, více jak 150 milionů kusů prodala jen společnost Ramtron. Paměťové produkty F-RAM společnosti Ramtron se staly velmi populární volbou v prestižních průmyslových odvětvích, jako je třeba automobilový průmysl. Výrobci jako Mercedes, GM, BMW, Ford, Porsche a další nyní používají ve svých vozech právě FRAM.

Společnost TI v současnosti vyrábí paměti Ramtron FRAM 4 Mb a 2 Mb s použitím svého pokročilého výrobního procesu FRAM 130 nanometrů  (http://www.ramtron.com/products/nonvolatile-memory/parallel.aspx). 4 Mb paměť FRAM společnosti Ramtron byla vyhodnocena časopisem Electronic Products China (EPC) výrobkem roku 2008.

Použitá literatura:

[1] http://www.ti.com/ww/cz/mcu/fram_ultra_low_power_embedded_memory/fram_mcu_faqs.htm

Download a odkazy:

• Domovská stránka Texas Instruments v češtině: http://www.ti.com/ww/cz/