Некоммерческая организация «Ассоциация московских вузов» ГОУ ВПО МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ

Некоммерческая организация «Ассоциация московских вузов»
ГОУ ВПО МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ
ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)
Полное название вуза
Научно-информационный материал
Разработка энергонезависимой памяти на основе наноразмерных слоев ЦТС.
Сравнительные характеристики различных типов памяти
Полное название НИМ или НОМ
Москва 2009 г.
Сравнительные характеристики различных типов памяти.
Физической основой работы ячейки FRAM является свойство ферроэлектриков изменять
электростатическую поляризацию под воздействием электрического поля и длительное время
сохранять ее в отсутствие поля. Схемотехнически ячейка FRAM представляет собой пару
транзистор-конденсатор, так же как ячейка динамической памяти. Но в качестве диэлектрика
выступает ферроэлектрик. При записи полярность заряда конденсатора модифицируется в
соответствии с записываемой информацией. При чтении ко всем конденсаторам прикладывается
напряжение одинаковой полярности и определяется наличие тока реполяризации: если полярность
заряда совпадает с приложенным напряжением, реполяризации не происходит и выходной буфер
фиксирует логический 0. В обратном случае фиксируется логическая 1. Чтение FRAM разрушает
информацию, но механизм автоматической регенерации данных очень быстр и полностью скрыт
от внешнего мира, поэтому алгоритм обращения к FRAM полностью совпадает с алгоритмом
обращения к статической памяти.
Как и DRAM, кристалл FRAM имеет несложную структуру и высокий коэффициент
плотности размещения элементов. Каждая ячейка памяти первых элементов FRAM включала два
транзистора и два конденсатора (2T/2C). Современные элементы строятся уже на основе
структуры 1T/1C. Некоторые эксперты считают такую структуру нестабильной в работе и в
качестве промежуточного решения предлагают ввести в нее второй конденсатор — 1Т/2С.
Основное различие (помимо энергонезависимости) между устройствами классов ОЗУ и
ПЗУ заключается в разной степени трудности операции записи. Традиционно, энергонезависимые
типы памяти имеют в основе устройства хранения информации элемент с плавающим затвором,
который, по своей сути, противодействует реализации записи. Запись в ячейку EEPROM
предполагает туннельный перенос электронов через тонкий окисел и их накопление на плавающем
затворе. На это затрачивается большое количество энергии при приложенном высоком
напряжении и требуется относительно длинный промежуток времени.
Устройства типа EEPROM имеют ограниченное число операций, что связано со сложным
процессом записи. Устройства с плавающим затвором выходят из строя (изнашиваются) после
100 000 или 1 000 000 циклов записи. А это слишком мало для применения в областях, связанных
со сбором данных. Перезапись в приборы памяти типа FeRAM может осуществляться бесконечное
число раз. Более того, технология с плавающим затвором имеет недостатки, слой окисла (барьер)
2
разрушается после относительно небольшого количества циклов записи. Работа ячейки FeRAM в
режиме записи не приводит к ранним выходам из строя.
В отличие от устройств памяти, реализованных на основе плавающего затвора, устройства
FeRAM не требуют подачи повышенного напряжения для записи в ячейку, так что память на
основе плавающего затвора очень энергоемка. Подводя итог, особенности и достоинства FeRAM
по сравнению с EEPROM можно охарактеризовать так:

Низкое энергопотребление. В активном режиме, то есть когда происходит
обращение по чтению или записи, FRAM потребляет в несколько раз меньший ток, чем SRAM, и в
полтора-два раза меньший, чем EEPROM и Flash. Уровень потребления одинаков в обоих типах
операций. Низкое потребление связано с тем, что ячейка массива практически не затрачивает
энергию в активном режиме, а в режиме ожидания массив не нуждается в подпитке. Основная
доля затрат энергии относится на КМОП-обрамление массива.

Практически
неограниченный
ресурс
циклов
обращения.
Лучшие
образцы
современных EEPROM и Flash обеспечивают не более 1 млн циклов модификации данных. FRAM
рассчитанные на 3 вольтовый диапазон питающего напряжения, выдерживают практически
неограниченное количество обращений.

Устойчивость к воздействию электромагнитных помех базируется на двух
физических аспектах. Во-первых, носитель информации во FRAM – это сравнительно тяжелый
атом циркония или титана. Его расположение на центральной линии кристалла ферроэлектрика
определяет логическое состояние ячейки. Чтобы изменить его положение, требуется напряжение
130кВ на расстоянии 1 см. Во-вторых, длительность активной фазы цикла обращения к ячейке
(когда происходит изменение ее логического состояния) составляет единицы наносекунд. Столь
малое временное окно уязвимости данных существенно снижает вероятность возникновения
ошибки в сравнении с EEPROM и Flash.

Полная работоспособность в широком диапазоне температур – от -55 до +125оС и
выше. Все компоненты FRAM специализированы для температур от -40 до +85оС. При более
высоких температурах длительность энергонезависимого сохранения данных становится меньше
10 лет, которые требует промышленный стандарт. Остальные параметры не изменяются.
Собственно, только из-за этого требования промышленного стандарта верхняя граница рабочей
температуры указана+85оС. При +125оС данные в полностью отключенной микросхеме останутся
неизменными в течение 2-3лет, что не является актуальным промежутком времени для
3
подавляющего большинства приложений. Даже при более высоких температурах для обеспечения
сохранности данных достаточно производить периодическое регенерирующее чтение.

Высокое быстродействие и большой потенциал по его увеличению. На изменение
логического состояния ячейки требуется около 1 нс. Весь вклад в длительность цикла обращения
сегодня вносит КМОП-обрамление, изготовленное по технологии, оптимизированной для
термостойкости и низкого энергопотребления.
Таблица 1 – Сравнительные характеристики различных типов памяти.
Показатель
FRAM
Flash
EEPROM
DRAM
SRAM
Скорость
записипрограммирования, нс
Напряжение, В
100
100
10000
50
20
3
10-12
12-15
2
3
Скорость чтения, нс
100
50
50
50
20
Количество
записи
1013
105
106
не
не
ограничено
ограничено
циклов
Коэффициент
плотности элементов
5
1
2
5
10
Затраты энергии при
записипрограммировании
(32бит), нДж
1
2000
1000
нет
нет
4