铁电存储器FRAM详解

铁电存储器FRAM详解:

铁电存储器（FRAM）产品将ROM的非易失性数据存储特性和RAM的无限次读写、高速读写以及低功耗等优势结合在一起。FRAM产品包括各种接口和多种密度，像工业标准的串行和并行接口，工业标准的封装类型，以及4Kbit、16Kbit、64Kbit、256Kbit和1Mbit等密度。
        非易失性记忆体掉电后数据不丢失。可是所有的非易失性记忆体均源自ROM技术。你能想象到,只读记忆体的数据是不可能修改的。所有以它为基础发展起来的非易失性记忆体都很难写入，而且写入速度慢，它们包括EPROM（现在基本已经淘汰）,EEPROM和Flash，它们存在写入数据时需要的时间长，擦写次数低,写数据功耗大等缺点。
(图片一)

        FRAM 提供一种与RAM一致的性能,但又有与ROM 一样的非易失性。 FRAM 克服以上二种记忆体的缺陷并合并它们的优点，它是全新创造的产品，一个非易失性随机存取储存器。


FRAM技术
        Ramtron的FRAM技术核心是铁电。这就使得FRAM产品既可以进行非易失性数据存储又可以像RAM一样操作。


        当一个电场被加到铁电晶体时，中心原子顺着电场的方向在晶体里移动，当原子移动时，它通过一个能量壁垒，从而引起电荷击穿。 内部电路感应到电荷击穿并设置记忆体。移去电场后中心原子保持不动，记忆体的状态也得以保存。FRAM 记忆体不需要定时刷新，掉电后数据立即保存，它速度很快，且不容易写坏。
        FRAM存储器技术和标准的CMOS制造工艺相兼容。铁电薄膜被放于CMOS base layers之上，并置于两电极之间，使用金属互连并钝化后完成铁电制造过程。
        Ramtron 的FRAM 记忆体技术从开始到现在已经相当成熟。 最初FRAM 记忆体采用二晶体管/ 二电容器的( 2T/2C) 结构，导致元件体积相对较大。 最近发展的铁电材料和制造工艺不再需要在铁电存储器每一单元内配置标准电容器。 Ramtron 新的单晶体管/ 单电容器结构记忆体可以像DRAM一样进行操作，它使用单电容器为存储器阵列的每一列提供参考。与现有的2T/2C结构相比，它有效地把内存单元所需要面积减少一半。新的设计极大的改进了die leverage并且降低了FRAM存储器产品的生产成本。
        Ramtron公司现采用0.35微米制造工艺，相对于现有的0.5微米的制造工艺而言，这极大地降低芯片功耗，提高了成本效率。

        这些令人振奋的发展使FRAM在人们日常生活的各个领域找到了应用的途径。从办公复印机、高档服务器到汽车安全气囊和娱乐设备， FRAM 使一系列产品的性能得到改进并在全世界范围内得到广泛的应用。
铁电应用
数据采集与记录
        存储器（FRAM）可以让设计者更快、更频繁地将数据写入非易失性存储器，而且价格比EEPROM低。数据采集通常包括采集和存储两部分，系统所采集的数据（(除临时或中间结果数据外)需要在掉电后能够保存，这些功能是数据采集系统或子系统所具有的基本功能。在大多数情况下，一些历史记录是很重要的。
        典型应用：仪表 (电表、气表、水表、流量表)、RF/ID、仪器,、和汽车黑匣子、安全气袋、GPS定位系统、电力电网监控系统。
参数设置与存储
        FRAM通过实时存储数据帮助系统设计者解决了突然断电数据丢失的问题。参数存储用于跟踪系统在过去时间内的改变，它的目的包括在上电状态时恢复系统状态或者确认一个系统错误。总的来说，数据采集是系统或子系统的功能，不论何种系统类型，设置参数存储都是一种底层的系统功能。
        典型应用： 影印机,打印机, 工业控制, 机顶盒 (Set-Top-Box), 网络设备（网络调制解调器）和大型家用电器。

非易失性缓冲
        铁电存贮器（FRAM）可以在数据传递储存在其它存储器之前快速存储数据。在此情况下，信息从一个子系统非实时地传送到另一个子系统去.。由于资料的重要性, 缓冲区内的数据在掉电时不能丢失.，在某些情况下，目标系统是一个较大容量的存储装置。FRAM以其擦写速度快、擦写次数多使数据在传送之前得到存储。
        典型应用：工业系统、银行自动提款机 (ATM), 税控机, 商业结算系统 (POS), 传真机，未来将应用于硬盘非易失性高速缓冲存储器。
SRAM的取代和扩展
        铁电存贮器（FRAM） 快速擦写和非易失性等特点，令系统工程师可以把现有设计中的SRAM和EEPROM器件整合到一个铁电存贮器（FRAM）里，或者简单地作为SRAM扩展。
        在多数情况下，系统使用多种存储器类型，FRAM提供了只使用一个器件就能提供ROM,RAM和EEPROM功能的能力，节省了功耗, 成本, 空间，同时增加了整个系统的可靠性。最常见的例子就是在一个有外部串行EEPROM嵌入式系统中，FRAM能够代替EEPROM,同时也为处理器提供了额外的SRAM功能。
        典型应用：便携式设备中的一体化存储器，使用低端控制器的任何系统。

类型元件：

 

一、具有处理器外围接口功能的铁电存储器FRAM FM31系列、FM32系列、FM4005 -------------------------------------------------------------------------------- Ramtron公司处理器外围接口芯片拥有高集成度的混合信号与模拟电路功能,特别适合于基于处理器系统的应用,可大大节省处理器外围芯片数量,在此之前,没有任何一款芯片既拥有高速读写速度与无限次读写寿命的铁电存储器(FRAM),同时又拥有实时时钟(RTC)、系统监测、看门狗、低电压检测等其它处理器外围电路功能.FM32系列功能与FM31类似,但是不具有实时时钟.按下表进行型号选型.Serial 2-Wire接口即为I2C接口. FM31x 系列 Full feature set includes memory, RTC, supervisor, and peripherals Product 型号 Vdd Interface接口 Memory内存 RTC RTC Alarm Power Monitor Watch Dog Early Power Fail Serial Number Battery Switch Over Event Detect Package封装 FM31256 2.7-5.5V Serial 2-Wire 256K Yes No Yes Yes Yes Yes Yes Count SOIC14 FM3164 2.7-5.5V Serial 2-Wire 64K Yes No Yes Yes Yes Yes Yes Count SOIC14 FM3116 2.7-5.5V Serial 2-Wire 16K Yes No Yes Yes Yes Yes Yes Count SOIC14 FM3104 2.7-5.5V Serial 2-Wire 4K Yes No Yes Yes Yes Yes Yes Count SOIC14 FM32x 系列 Exactly compatible with FM31x except no RTC. Product 型号 Vdd Interface接口 Memory内存 RTC RTC Alarm Power Monitor Watch Dog Early Power Fail Serial Number Battery Switch Over Event Detect Package封装 FM32256 2.7-5.5V Serial 2-Wire 256K No No Yes Yes Yes Yes Yes Count SOIC14 FM3264 2.7-5.5V Serial 2-Wire 64K No No Yes Yes Yes Yes Yes Count SOIC14 FM3216 2.7-5.5V Serial 2-Wire 16K No No Yes Yes Yes Yes Yes Count SOIC14 FM3204 2.7-5.5V Serial 2-Wire 4K No No Yes Yes Yes Yes Yes Count SOIC14 其它外围器件 Other - Supervisor and peripherals Product 型号 Vdd Interface接口 Memory内存 RTC RTC Alarm Power Monitor Watch Dog Early Power Fail Serial Number Battery Switch Over Event Detect Package封装 FM30C256 5V Serial 2-Wire 256K Yes No Yes No No No Yes - SOIC20 FM4005 2.7-5.5V Serial 2-Wire N/A Yes Yes Yes Yes No No Yes No SOIC14 二、串行接口系列铁电存储器 FM24系列、FM25系列 -------------------------------------------------------------------------------- I2C接口协议是被广泛使用的多主机、多从机结构的通信协议,它使用一根串行时钟信号(SCL)与一根串行数据信号(SDA),多个存储器器件可以挂在一个通信总线上,通过器件的地址信号AO-A2对器件进行选择,SPI接口协议为另一种串行通信协议,它们使用4根通信信号,包括片选(CS)、数据进(DIN)、数据出(DOUT)、时钟(CLK).按下表进行器件选型 串行I2C接口系列 型号 容量 封装 总线速度 工作电压Vdd 工作电流IDD FM24C256 256K 8SE 1MHz 5V 1.2mA FM24C64 64K 8S 1MHz 5V 1.2mA FM24CL64 64K 8S & DFN 1MHz 2.7-3.6V 400uA FM24C16A 16K 8S 1MHz 5V 1.0mA FM24CL16 16K 8S & DFN 1MHz 2.7-3.6V 400uA FM24C04A 4K 8S 1MHz 5V 1.0mA FM24CL04 4K 8S 1MHz 2.7-3.6V 300uA 串行SPI接口系列 型号 容量 封装 总线速度 工作电压Vdd 工作电流IDD FM25L256 256K 8S & DFN 25MHz 2.7-3.6V 6mA FM25256 256K 8S 15MHz 4.0V-5.5V 7mA FM25640 64K 8S 5MHz 5V 3.0mA FM25CL64 64K 8S & DFN 20MHz 2.7-3.6V 10mA FM25L16 16K 8S & DFN 18MHz 2.7-3.6V 9mA FM25C160 16K 8S 20MHz 5V 10mA FM25L04 4K 8S 14MHz 2.7V-3.6V 3.0mA FM25040A 4K 8S 20MHz 5v 10mA 三、并行接口系列铁电存储器 FM1608 、FM1808、FM18L08 -------------------------------------------------------------------------------- 非易失性并行存储器拥有高速读写速度,完全不使用电池即可实现非易失性数据存储,并拥有与SRAM相同的管脚输出,它们的操作方式与SRAM类似,并拥有无须电池的非易失性数据存储. 并行接口系列 型号 容量 封装 访问速度 工作电压Vdd 工作电流IDD FM20L08 128K x 8 32T 60ns 3.3V +10%, -5% 22mA FM18L08 32K x 8 28S, 28P 70ns 3.0-3.6V 15mA FM1808 32K x 8 28S, 28P 70ns 5V 25mA FM1608 8K x 8 28S, 28P 120ns 5V 15mA