鐵電存儲(chǔ)器自動(dòng)保存的

FRAM-FerroelectricRAM

鐵電存儲(chǔ)器報(bào)告人：張志祥

1鐵電存儲(chǔ)器自動(dòng)保存的5/9/2024背景介紹現(xiàn)有閃存和EEPROM存儲(chǔ)器都是采用浮動(dòng)?xùn)偶夹g(shù)，浮動(dòng)?xùn)盼挥跇?biāo)準(zhǔn)控制柵的下面及通道層的上面。浮動(dòng)?xùn)糯鎯?chǔ)單元的信息存儲(chǔ)是通過保存浮動(dòng)?xùn)艃?nèi)的電荷而完成的。利用改變浮動(dòng)?xùn)糯鎯?chǔ)單元的電壓就能達(dá)到電荷添加或擦除的動(dòng)作，從而確定存儲(chǔ)單元是在”1”或“0”的狀態(tài)。2鐵電存儲(chǔ)器自動(dòng)保存的5/9/2024存儲(chǔ)器動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器靜態(tài)存儲(chǔ)器易失性存儲(chǔ)器弱點(diǎn)非易失性存儲(chǔ)器寫入數(shù)據(jù)困難常見的存儲(chǔ)器的分類F-RAMEEPROMFlash3鐵電存儲(chǔ)器自動(dòng)保存的5/9/2024一、背景介紹鐵電存儲(chǔ)技術(shù)早在1921年提出，直到1993年美國Ramtron國際公司成功開發(fā)出第一個(gè)4K位的鐵電存儲(chǔ)器FRAM產(chǎn)品，目前所有的FRAM產(chǎn)品均由Ramtron公司制造或授權(quán)。4鐵電存儲(chǔ)器自動(dòng)保存的5/9/2024鐵電的原理鐵電存儲(chǔ)器采用人工合成的鋯鈦酸鉛[Pb(Zr,Ti)O3

(PZT)材料形成存儲(chǔ)器結(jié)晶體。在外電場作用下時(shí)，在鐵電晶體中位于晶胞中心的Ti（或Zr）原子，會(huì)向上或向下產(chǎn)生物理偏移，撤掉外電場后，仍表現(xiàn)出一定的電極性，鐵電存儲(chǔ)器就是利用這兩個(gè)穩(wěn)定態(tài)來代表數(shù)字邏輯中的“1”和“0”，從而來存儲(chǔ)信息5鐵電存儲(chǔ)器自動(dòng)保存的5/9/2024二、FRAM原理及特點(diǎn)

6鐵電存儲(chǔ)器自動(dòng)保存的5/9/2024寫入方法與DRAM稍有不同。DRAM利用電容器中有無電荷記錄數(shù)據(jù)，因此使用名為位線的布線單向加壓。而FeRAM由于必須雙向加壓，因此除位線以外，還添加了名為板線的線路。寫入“1”時(shí)，由板線向位線加壓。寫入“0”時(shí)則反過來由位線向板線加壓。

讀取方法也不同于DRAM。DRAM根據(jù)電容器中有無電荷判定“1”或“0”。而FeRAM則不能直接讀出電容器的狀態(tài)。因此讀取時(shí)通過強(qiáng)行寫入“1”，來判定“0”還是“1”。數(shù)據(jù)為1時(shí)由于狀態(tài)不變，因此電荷移動(dòng)少。而數(shù)據(jù)為0時(shí)由于狀態(tài)發(fā)生反轉(zhuǎn)，因此會(huì)產(chǎn)生大的電荷移動(dòng)。利用這種電荷差判定1和0，F(xiàn)eRAM在讀取時(shí)也進(jìn)行寫入動(dòng)作。7鐵電存儲(chǔ)器自動(dòng)保存的5/9/2024

但是在鐵電電容中反復(fù)寫入會(huì)使之加速老化。也就是說不僅是寫入時(shí)，讀取時(shí)FeRAM也會(huì)產(chǎn)生老化，并且FeRAM在讀取時(shí)與DRAM一樣，是破壞性讀取，所以也需要像DRAM那樣進(jìn)行回寫操作8鐵電存儲(chǔ)器自動(dòng)保存的5/9/2024

FRAM的讀操作FRAM讀操作過程是：在存儲(chǔ)單元電容上施加一已知電場，如果原來晶體的中心原子的位置和施加的電場方向后使中心原子達(dá)到的位置相同，則中心原子不會(huì)移動(dòng)；若不相同，則中心原子將越過晶體中間層的高能階到達(dá)另一位置，則在充電波形上就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)尖峰，即產(chǎn)生原子移動(dòng)的比沒有產(chǎn)生移動(dòng)的多了一個(gè)尖峰，把這個(gè)充電波形同參考位的充電波形進(jìn)行比較，便可以判斷檢測的存儲(chǔ)單元中的內(nèi)容是“1”或“0”。。

9鐵電存儲(chǔ)器自動(dòng)保存的5/9/2024FRAM原理及特點(diǎn)FRAM超級(jí)省電，保持?jǐn)?shù)據(jù)不需要電壓,能耗僅為EEPROM的1/3000FRAM存儲(chǔ)器的內(nèi)容不會(huì)受到外界條件諸如磁場因素的影響，能夠同普通ROM存儲(chǔ)器一樣使用，具有非易失性的存儲(chǔ)特性。FRAM寫入速度非?？?，可以跟隨總線速度寫入，是現(xiàn)在常見的EEPROM的500倍，而且能夠像RAM一樣方便的操作，寫入的次數(shù)可以無限次，而不存在如E2PROM的寫入次數(shù)有限的問題。10鐵電存儲(chǔ)器自動(dòng)保存的5/9/2024

鐵電存儲(chǔ)器成品圖11鐵電存儲(chǔ)器自動(dòng)保存的5/9/2024五、FRAM與其它存儲(chǔ)技術(shù)比較

FRAM與E2PROM

FRAM與SRAM從速度、價(jià)格及使用方便來看SRAM優(yōu)于FRAM，但是從整個(gè)設(shè)計(jì)來看，F(xiàn)RAM還有一定的優(yōu)勢。非易失性的FRAM可以保存啟動(dòng)程序和配置信息。如果應(yīng)用中所有存儲(chǔ)器的最大訪問速度是70ns，那么可以使用一片F(xiàn)RAM完成這個(gè)系統(tǒng)，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加簡單。

FRAM可以作為E2PROM的第二種選擇，它除了E2PROM的性能外，訪問速度要快得多。12鐵電存儲(chǔ)器自動(dòng)保存的5/9/2024F-RAM優(yōu)勢F-RAM優(yōu)于浮柵技術(shù)器件的三種不同的特性：快速寫入

高耐久性低功耗以下列舉了F-RAM在一些行業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域中與其他存儲(chǔ)器相比較的主要優(yōu)勢：頻繁掉電環(huán)境任何非易失性存儲(chǔ)器都可以保留配置?？墒?，配置更改或電源失效情況隨時(shí)可能發(fā)生，因此，更高寫入耐性的F-RAM允許無任何限制的變更記錄。任何時(shí)間系統(tǒng)狀態(tài)改變，都將寫入新的狀態(tài)。這樣可以在電源關(guān)閉后可用的時(shí)間很短或立即失效的時(shí)狀態(tài)下，將有用數(shù)據(jù)寫入存儲(chǔ)器。13鐵電存儲(chǔ)器自動(dòng)保存的5/9/2024在汽車導(dǎo)航上的應(yīng)用GPS導(dǎo)航和位置服務(wù)也是如此?，F(xiàn)在的汽車導(dǎo)航儀能提供交通位置信息和天氣預(yù)報(bào)已不是什么新鮮事，人們更希望在GPS導(dǎo)航儀上看見周邊的環(huán)境信息，比如酒店、餐廳、旅游景點(diǎn)和加油站等。由于汽車的速度一般很快，因此需要極高寫入速度和擦寫次數(shù)的非易失性存儲(chǔ)器，這一性能要求只有F-RAM才能實(shí)現(xiàn)，其它種類非易失性存儲(chǔ)器不是滿足不了這一要求，就是滿足不了那一要求F-RAM可以實(shí)時(shí)更新道路位置信息14鐵電存儲(chǔ)器自動(dòng)保存的5/9/2024

在非接觸式存儲(chǔ)器領(lǐng)域里，F(xiàn)-RAM提供一個(gè)理想的解決方案。低功耗訪問在RFID系統(tǒng)中至關(guān)重要，因?yàn)椋茉聪氖且跃嚯x成指數(shù)下降的。想要以最小的能耗讀寫標(biāo)簽數(shù)據(jù)就必須保持標(biāo)簽有足夠近的距離。如圖所示，簡單示意了FRAM在距離讀寫器3米時(shí)，可在射頻功率較低的情況下實(shí)現(xiàn)讀寫，而EEPROM卻無法寫入各種存儲(chǔ)器的最大識(shí)別距離15鐵電存儲(chǔ)器自動(dòng)保存的5/9/2024汽車自動(dòng)收費(fèi)站原理圖16鐵電存儲(chǔ)器自動(dòng)保存的5/9/2024在非接觸式存儲(chǔ)器領(lǐng)域里的應(yīng)用傳統(tǒng)的汽車RFID標(biāo)簽采用的是EEPROM，它的寫入速度比較慢，寫入距離也比較近基本上目前所有的汽車自動(dòng)收費(fèi)通道都安裝了5.8GHzRF頻率（標(biāo)準(zhǔn)的860M-960MHz）采集頻率，而且對(duì)車速也有一定限制采用F-RAM，因?yàn)镕-RAM將寫入距離從5m延長到了15m，而且寫入速率非?？欤?秒內(nèi)就可對(duì)100輛汽車完成讀寫操作，從而可以大幅節(jié)省自動(dòng)收費(fèi)系統(tǒng)的部署成本和通關(guān)時(shí)間，此外，F(xiàn)-RAM寫入電壓只有1.6V，EEPROM的寫入電壓高達(dá)13V，所以采用EEPROM的存儲(chǔ)器的應(yīng)答器還需要額外的電池供電，而F-RAM不需要，因此可以節(jié)省許多功耗。17鐵電存儲(chǔ)器自動(dòng)保存的5/9/2024在汽車黑匣子中的應(yīng)用存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（在掉電時(shí)數(shù)據(jù)能保存）18鐵電存儲(chǔ)器自動(dòng)保存的5/9/2024

基于NVRAM的存儲(chǔ)方案基于SRAM和EEPROM的存儲(chǔ)方案圖3

基于FRAM的存儲(chǔ)方案在汽車黑匣子中的運(yùn)用19鐵電存儲(chǔ)器自動(dòng)保存的5/9/2024在黑匣子中的應(yīng)用在發(fā)生意外事故時(shí)，要求在極短時(shí)間里將汽車物理位置信息寫入黑匣子，萬一發(fā)生交通事故，精確的位置信息可以幫助事主或保險(xiǎn)公司更快地厘清責(zé)任和結(jié)束爭吵。如采用EEPROM，事故發(fā)生時(shí)記錄下來的物理位置信息很可能只是事故發(fā)生前幾秒鐘的位置，這對(duì)事故賠償談判是非常不利的。因此，現(xiàn)在幾乎所有的高檔汽車氣囊系統(tǒng)都采用F-RAM，因?yàn)闊o論在任何環(huán)境下，它的高可靠性都能確保它精確地記錄下汽車每分每秒的準(zhǔn)確位置20鐵電存儲(chǔ)器自動(dòng)保存的5/9/2024FRAM的用途儀表電表、水表、汽表、流量表、郵資表。汽車安全氣袋、車身控制系統(tǒng)、車載收音機(jī)、勻速控制、車載DVD、引擎、娛樂設(shè)備、儀器簇、傳動(dòng)系、保險(xiǎn)裝置、遙感勘測/導(dǎo)航系統(tǒng)、自動(dòng)收費(fèi)系統(tǒng)。通訊移動(dòng)通訊發(fā)射站、數(shù)據(jù)記錄儀、電話、收音機(jī)、電信、可攜式GPS。

消費(fèi)性電子產(chǎn)品

家電、機(jī)頂盒、等離子液晶屏電視。21鐵電存儲(chǔ)器自動(dòng)保存的5/9/2024FRAM的用途計(jì)算機(jī)辦公設(shè)備、雷達(dá)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)附屬存儲(chǔ)、電子式電腦切換器。工業(yè)、科技、醫(yī)療工業(yè)自動(dòng)控制、電梯、酒店門鎖、掌上操作儀器、醫(yī)療儀器、發(fā)動(dòng)機(jī)控制。其他自動(dòng)提款機(jī)、照相機(jī)、游戲機(jī)、POS功能機(jī)、自動(dòng)售貨。22鐵電存儲(chǔ)器自動(dòng)保存的5/9/2024七、FRAM需要的問題鐵電薄膜的疲勞和動(dòng)態(tài)壓印的問題鐵電極化的保持力問題找到更環(huán)保的材料來替代現(xiàn)在的主流的PZT材料鐵電存儲(chǔ)器與傳統(tǒng)的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器相比有許多突出的優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用前景十分誘人，但也存在很多問題：23鐵電存儲(chǔ)器自動(dòng)保存的5/9/2024PZT是研究最多、使用最廣泛的，它的優(yōu)點(diǎn)是能夠在較低的溫度下制備，可以用濺射和MOCVD的方法來制備，具有剩余極化較大、原材料便宜、晶化溫度較低的優(yōu)點(diǎn)；缺點(diǎn)是有疲勞退化問題，還有含鉛會(huì)對(duì)環(huán)境造成