73_76.pdf

P O D Z E S P O £ Y

Nowoæ na rynku pamiêci

- uk³ady FRAM

Nowe, oryginalne,

technologie pojawiaj¹ siê na

wspó³czesnym rynku

elektroniki w coraz d³u¿szych

odstêpach czasu. Stosunkowo

najmniej dzieje siê wród

pamiêci RAM i ROM -

powiêkszanie ich pojemnoci,

skracanie czasu dostêpu

i obni¿anie kosztów struktur

nie wi¹¿e siê

z wprowadzeniem w ¿ycie

¿adnej istotnie nowej idei -

wiêkszoæ osi¹gniêæ jest

wynikiem wytê¿onej pracy

laboratoriów udoskonalaj¹cych

technologiê produkcji.

Pewien prze³om,

oczekiwany od blisko 50 lat,

jednak nast¹pi³ - szczegó³y

w artykule.

Nowoczesne technologie pó³-

przewodnikowe pozwoli³y na

szybki rozwój ró¿nego typu pa-

miêci. Stopniowo doskonalono

technologiê ich produkcji, du¿y

nacisk by³ k³adziony na ograni-

czenie rozmiarów pojedynczych

komórek, dziêki czemu mo¿liwym

siê sta³o wprowadzenie do seryj-

nej produkcji pamiêci o pojem-

nociach rzêdu dziesi¹tek i setek

milionów bitów, a tak¿e wielu

typów pamiêci umo¿liwiaj¹cych

przechowywanie zapisanych in-

formacji bez zasilania.

Praktycznie wszystkie stosowa-

ne dotychczas uk³ady pamiêciowe

wykorzystywa³y w swym dzia³a-

niu dawno opracowane techniki

zapamiêtywania informacji, ogra-

niczano siê g³ównie do poprawia-

nia technologii produkcji struktur.

Od pewnego czasu coraz sze-

rzej siê mówi o zupe³nie nowym

rodzaju pamiêci, w których infor-

macja zapamiêtywana jest w kon-

densatorach ferroelektrycznych -

st¹d pochodzi nazwa ca³ej rodzi-

ny uk³adów - Ferroelectric RAM .

O tym, jakie zjawiska fizyczne

wykorzystano w dzia³aniu pamiê-

ci FRAM, o ich zaletach, wadach,

mo¿liwociach i szansach na ryn-

ku elektroniki piszemy w tym ar-

tykule.

dzy nimi o pojemnoci kondensa-

tora decyduje sta³a jego dielekt-

ryka. Odejcie od tlenku krzemu

jest wynikiem d¹¿enia do ograni-

czania rozmiarów kondensatorów,

co pozwala zwiêkszyæ gêstoæ upa-

kowania struktur pó³przewodniko-

wych.

Wszystkie dielektryki stosowa-

ne w kondensatorach s¹ z natury

rzeczy niedoskona³e - zawsze pew-

na iloæ ³adunku wyp³ywa z kon-

densatora na skutek defektów die-

lektryka. Oznacza to w praktyce,

¿e zachowanie zawartoci pamiêci

DRAM wymaga odwie¿ania jej

zawartoci. Pamiêæ DRAM jest

odwie¿ana po podaniu odpo-

wiednich sygna³ów z kontrolera

DRAM. Pamiêci DRAM z autood-

wie¿aniem dokonuj¹ tego proce-

su, gdy kontroler zostaje wy³¹czo-

ny np. ze wzglêdu na potrzebê

oszczêdzania energii.

Kolejn¹, bardzo istotn¹ w³aci-

woci¹ pamiêci DRAM jest nisz-

cz¹cy charakter odczytu. Uzyska-

nie dostêpu do danego bitu ozna-

cza roz³adowanie odpowiadaj¹ce-

go mu kondensatora, który nastêp-

nie - by zachowaæ informacjê -

musi zostaæ powtórnie na³adowa-

ny. Czas potrzebny do przeprowa-

dzenia tej operacji oraz czas do

na³adowania tzw. wewnêtrznych

wêz³ów pamiêci DRAM okrelaj¹,

jak czêsto mo¿na uzyskaæ dostêp

do danego miejsca pamiêci.

W jakim stopniu podane wy¿ej

informacje dotycz¹ równie¿ pa-

miêci FRAM? Jak wynika z rys.2

i rys.3 , komórki FRAM z jednym

jak i z dwoma tranzystorami wy-

gl¹daj¹ podobnie do komórek

DRAM. Podstawy technologii

FRAM powsta³y w latach 50., kie-

Jak dzia³a FRAM?

Podstawy dzia³ania pamiêci

FRAM s¹ ³atwe do zrozumienia,

a rozwa¿ania dobrze jest zacz¹æ

od krótkiego omówienia funkcjo-

nowania pamiêci DRAM. Na rys.1

przedstawiono schemat funkcjo-

nalny komórki DRAM. Zapisanie

logicznej 1 do komórki DRAM

wymaga na³adowania kondensato-

ra pod odpowiednim adresem pa-

miêci.

W przesz³oci producenci u¿y-

wali jako dielektryka tego konden-

satora zwyk³ego tlenku krzemu.

Teraz znacznie czêciej producen-

ci DRAM stosuj¹ bardziej wymy-

lne zwi¹zki krzemu. Wynika to

z faktu, ¿e przy okrelonych roz-

miarach ok³adek i odleg³oci miê-

Rys. 1.

Elektronika Praktyczna 9/97

P O D Z E S P O £ Y

Rys. 2.

bramki wybieraj¹cej i specjalnie

opracowane kondensatory odizo-

lowane od ka¿dego z tranzysto-

rów, rozwi¹zuj¹ problem zak³ó-

ceñ. Nowe materia³y umo¿liwiaj¹

dokonanie cykli zapisu rzêdu 10 12 ,

z perspektyw¹ 10 15 w ci¹gu naj-

bli¿szych kilku lat. We wspó³-

czesnych kondensatorach ferro-

elektrycznych jako dielektryka

u¿ywa siê materia³u nazwanego

PZT (cyrkonian-tytanian o³owiu).

Inne materia³y, posiadaj¹ce wy-

¿sze sta³e dielektryczne, krótsze

czasy dostêpu, mniejsze pr¹dy

up³ywu i wymagaj¹ce ni¿szych na-

piêæ zapisu, s¹ w trakcie opraco-

wywania, jak np. Y-1 firmy Sy-

metrix Corp.

Podczas operacji odczytu z pa-

miêci FRAM uk³ady dekoderów

podaj¹ na kondensator pole elek-

tryczne, natomiast wzmacniacze

odczytu detekuj¹ przep³ywaj¹cy

pr¹d (wiêkszy w przypadku zmia-

ny polaryzacji), a informacja w po-

staci logicznego 0 lub 1 prze-

kazywana jest na wyjcia uk³adu.

Tak wiêc podobnie jak w przy-

padku DRAM odczyty FRAM maj¹

charakter niszcz¹cy. Odpowiednie

uk³ady wewnêtrzne pod koniec

operacji odczytu dokonuj¹ ponow-

nego zapisu danych.

Ma to powa¿ne skutki dwoja-

kiego rodzaju: po pierwsze, pod-

czas szacowania szybkoci pracy

pamiêci nale¿y wzi¹æ pod uwagê

czasy ponownego zapisu i wstêp-

nego ³adowania. Po drugie, zaró-

wno operacja odczytu jak i zapisu

obci¹¿a pamiêci FRAM w sensie

iloci wykonywalnych cykli.

Aby podnieæ niezawodnoæ

we wspó³czesnych pamiêciach

FRAM stosuje siê architekturê 2T-

2C (dwa tranzystory - dwa kon-

densatory - rys.2). W architekturze

tej odczyt jest ró¿nicowy - doko-

nuje siê pomiaru ró¿nicy pr¹dów

p³yn¹cych po podaniu pola elek-

trycznego przez dwa kondensatory

z dielektrykiem ferroelektrycznym.

Podstawow¹ zalet¹ takiego odczy-

tu jest niezawodnoæ, uzyskiwana

dziêki eliminacji wszelkich skut-

ków degradacji obydwu konden-

satorów.

Rozwi¹zanie takie zapewnia

d³u¿szy czas przechowywania in-

formacji oraz wiêksz¹ liczbê cykli.

Cen¹ jest bardziej kosztowna ar-

chitektura - dwa tranzystory, dwa

kondensatory, dwie linie danych

i bardziej z³o¿one wzmacniacze

odczytu. Dalej - odczyt ró¿nicowy

trwa d³u¿ej ni¿ odczyt zwyk³y, co

zwiêksza czas dostêpu. Z tych,

a tak¿e z innych powodów produ-

cenci pamiêci FRAM d¹¿¹ do jak

najszybszego wprowadzenia archi-

tektury zbli¿onej do stosowanej

w pamiêci DRAM - 1T-1C (rys.3),

co umo¿liwi tak¿e uzyskanie wy-

¿szych gêstoci upakowania bi-

tów.

dy to odkryto, ¿e pewne materia-

³y, nosz¹ce nazwê perowskitów,

po poddaniu dzia³aniu pola elek-

trycznego uzyskuj¹ polaryzacjê, za-

le¿n¹ od zwrotu wektora pola. Co

wa¿ne, owa polaryzacja pozostaje

po usuniêciu pola i ani zewnêt-

rzne pola magnetyczne, ani elek-

tryczne nie maj¹ wp³ywu na stan

komórki. Przy³o¿one wewnêtrzne

pole elektryczne powoduje usta-

wienie atomu materia³u w jednym

z dwóch stabilnych po³o¿eñ,

w którym pozostaje on do mo-

mentu przy³o¿enia pola o prze-

ciwnym zwrocie ( rys.4 ).

Kilka niekorzystnych zjawisk

ogranicza³o mo¿liwoci technolo-

gii we wczeniejszych etapach jej

rozwoju. Po pierwsze, warstwy

tlenkowe uzyskiwane w latach 50.

by³y bardzo grube, co stwarza³o

koniecznoæ stosowania napiêæ po-

laryzuj¹cych o wartociach prze-

kraczaj¹cych 100V. Liczba wyko-

nywalnych operacji zapisu by³a

ograniczona, a operacje dostêpu

do komórki zak³óca³y stany s¹-

siednich komórek. Te i inne zja-

wiska sprawi³y, ¿ kondensatory

ferroelektryczne pozostawa³y

obiektem akademickich badañ

jeszcze przez wiele dziesiêcioleci.

W roku 1990 okaza³o siê, ¿e

wiêkszoæ z wymienionych zja-

wisk zosta³a wyeliminowana b¹d

w znacznym stopniu ograniczona.

Gruboci warstw tlenkowych s¹

rzêdu dziesi¹tek nanometrów, co

pozwala dokonywaæ zapisu przy

pomocy napiêæ o wartociach rzê-

du 2,7V, z perspektyw¹ dalszego

obni¿enia. Stosowane rozwi¹zanie

Perspektywy pamiêci

FRAM

Powstaje pytanie, czy FRAM

pozostanie pamiêci¹ o ograniczo-

nych rozmiarach produkcji, czy

te¿ stanie siê kolejnym, masowo

produkowanym standardowym ty-

pem pamiêci.

Firma Ramtron powróci³a do

prób z technologi¹ FRAM w 1984

roku. W roku 1988 zaprezentowa-

³a pierwsz¹ pamiêæ FRAM o po-

jemnoci 256 bitów, która zosta³a

wykonana w technologii 4

Rys. 3.

Rys. 4.

Elektronika Praktyczna 9/97

Pierwszy uk³ad FRAM posiada³

bardzo z³o¿on¹ strukturê komórki

- a¿ 6 tranzystorów i 2 kondensa-

P O D Z E S P O £ Y

tory - by³o to po prostu odzwier-

ciedlenie standardowej komórki

SRAM z podtrzymaniem. Archi-

tektura taka zajmowa³a du¿o miej-

sca, uniemo¿liwiaj¹c wysok¹ gês-

toæ upakowania, co bardzo wy-

ranie odbija³o siê na koszcie

produkcji.

W roku 1992 firma Ramtron

wprowadzi³a uk³ad FRAM nowej

generacji, oparty na prostszej

i mniejszej strukturze komórki, za-

wieraj¹cej tylko dwa tranzystory

i dwa kondensatory (jak na rys.

2). Pamiêæ ta mia³a pojemnoæ

4kB i by³a wykonana w technolo-

gii 1,5

Tabela 1. Porównanie technologii uk³adów pamiêciowych.

5 m s

(

)

(

m. Najwiêkszym zastoso-

waniem, jakie ten uk³ad znalaz³,

by³y gry produkowane przez zna-

n¹ w naszym kraju firmê Sega.

Niestety, w swoich najnowszych

produktach firma Sega zastosowa-

³a nonik pamiêciowy w postaci

p³yty CD-ROM.

W chwili obecnej Ramtron pro-

ponuje najszersz¹ ofertê pamiêci

FRAM - od 4 do 256kb, wyposa-

¿onych w interfejsy I 2 C, szerego-

wo-równoleg³y (SPI) i równoleg³y.

Dostêpne wersje uk³adów mog¹

pracowaæ z napiêciami zasilania

z zakresu 4,5...5,5V oraz 2,7..3,6V,

zakresy temperatur pracy 0 o C -

70 o C (zwyk³y) i -40 o C - 85 o C

(rozszerzony).

Bie¿¹ce prace rozwojo-

we obejmuj¹ wprowadzenie

mniejszych komórek, zawieraj¹-

cych jeden tranzystor i jeden kon-

densator (jak na rys.3). Ramtron

przewiduje rozpoczêcie rozprowa-

dzania próbek tych pamiêci ju¿

pod koniec bie¿¹cego roku.

Ramtron jest prekursorem no-

woczesnych technologii FRAM,

ostatnio jednak firma ta zebra³a

znaczn¹ grupê licencjobiorców,

wród których znajduj¹ siê naj-

powa¿niejsi na rynku produ-

cenci pamiêci ulotnych

i nieulotnych. W roku

bie¿¹cym Ramtron

podpisa³ umowê licen-

cyjn¹ z firmami Sam-

sung i SGS-Thomson.

Firma posiada takie umowy

z firmami Fujitsu (od 1996 ro-

ku), Toshiba (od 1995 roku),

Rohm (od 1993 roku) i Hitachi

(od 1992 roku).

Firma Rohm która, jako jedna

z niewielu wród partnerów Ram-

tron ju¿ produkuje pamiêci FRAM,

dostarcza na rynek 16-kb pamiêæ

)

szeregow¹, opracowuje za pamiê-

ci szeregowe o pojemnociach

4 i 64kb. Rohm ma dzia³aæ przede

wszystkim w zakresie uk³adów

FRAM o niskiej pojemnoci oraz

integrowaæ pamiêci FRAM z inny-

mi typami pamiêci oraz uk³adami

logicznymi.

Firma Hitachi rozprowadza

próbki swej pierwszej pamiêci

FRAM z wejciem równo-

leg³ym o po-

A. Prezento-

wana pamiêæ zapewnia utrzymanie

zapisanej informacji przez okres

10 lat, wykonanie 10 12 cykli.

Hitachi w ci¹gu dwóch najbli¿-

szych lat wprowadzi na rynek

nowe uk³ady o pojemnoci 1 lub

4Mb. Uk³ad wykonywany bêdzie

w wielowarstwowej technologii

nowej generacji 0,5

150ns przy odczycie oraz 235ns

podczas cyklu zapisu i odczytu.

Pobór pr¹du w stanie aktywnym

i w stanie standby wynosz¹ odpo-

wiednio 20mA i 15

z komórk¹ 1 tran-

zystor -

jemnoci 256kb,

oznaczonej HM71V832. Jest to

uk³ad wykonany w zaawansowa-

nej technologii 0,8

1 kondensa-

tor, z kon-

densatorem

typu stac-

ked.

Pozostali

posiadacze licen-

cji - Fujitsu, Sam-

sung, SGS-Thom-

son i Toshiba, zna-

jduj¹ siê na ró¿-

nych etapach

przygotowywania

technologii i ar-

chitektury.

W padzierni-

ku Samsung

og³osi³ opracowanie 64-kb uk³adu

wykorzystuj¹cego komórkê 1T-1C,

kondensator typu stacked oraz

technologiê z podwójn¹ warstw¹

Elektronika Praktyczna 9/97

m, zasilany

napiêciem 3V. Czas dostêpu tego

uk³adu wynosi odpowiednio:

P O D Z E S P O £ Y

metalu. Kilku innych potentatów

prowadzi prace nad pamiêci¹

FRAM we w³asnym zakresie.

W 1996 roku, podczas konferen-

cji International Solid State Cir-

cuits Conference (ISSCC), firma

NEC przedstawi³a w³asny 1Mb

uk³ad FRAM, zasilany napiêciem

3,3V, o czasie dostêpu 60ns i cyk-

lu odczyt/zapis 100ns. Uk³ad ten,

wykonany w technologii 1

kiem i systemem RFID móg³ byæ

du¿y, a czas wymiany informacji

- krótki.

Jak dalece realistycznie wygl¹-

daj¹ cele stawiane sobie przez

producentów pamiêci FRAM?

Czêæ in¿ynierów wstrzymuje siê

z powa¿nym potraktowaniem pa-

miêci FRAM, co wynika z jej nie

najlepszych w rzeczywistoci pa-

rametrami w porównaniu z zapo-

wiedziami. Nawet jeli technolo-

gia ta poprawi sw¹ z³¹ reputacjê

i zainteresuje dostatecznie prze-

mys³, nadal trzeba bêdzie porów-

naæ jej podstawowe parametry

z parametrami innych technologii

( tab. 1 ).

Producenci d¹¿¹cy do ograni-

czenia kosztów i zwiêkszenia

stopnia upakowania zmierzaj¹ ku

jednemu - zintegrowaniu w spo-

sób op³acalny coraz wiêkszej

liczby bitów. Op³acalnoæ uza-

le¿niona jest od wielu czynni-

ków. Po pierwsze, od powierz-

chni krzemu przeznaczanej przez

projektantów na jeden bit prze-

chowywanej informacji. Najwcze-

niejsza komórka FRAM 6T-6C

by³a du¿a i z³o¿ona, dzisiejsza

komórka 2T-2C jest mniej wiêcej

dwukrotnie wiêksza od komórki

pamiêci DRAM czy EEPROM

i oko³o trzy razy wiêksza od

komórki pamiêci FLASH przy tej

samej skali litografii procesu.

Z drugiej strony, komórka FRAM

2T-2C jest mniejsza ni¿ cztero

i szeciotranzystorowe komórki

SRAM, a tym bardziej ni¿ ko-

mórki nieulotnej pamiêci RAM.

Dalszy rozwój technologii w kie-

runku architektury 1T-1C

i umieszczenie kondensatora nad

lub pod tranzystorem powinny

doprowadziæ do ograniczenia

rozmiaru komórki FRAM do

wielkoci porównywalnej z ko-

mórk¹ DRAM. I rzeczywicie -

firma Hitachi rozwa¿a wprowa-

dzenie do masowej produkcji

uk³adów z komórk¹ typu FRAM

jako jeden z wariantów przy op-

racowywaniu op³acalnej gigabi-

towej pamiêci DRAM. Sta³e die-

lektryczne kondensatorów FRAM,

bêd¹ce miar¹ zdolnoci konden-

satora do gromadzenia ³adunku,

s¹ wy¿sze ni¿ we wspó³czesnych

uk³adach opartych o tlenki krze-

mu, pozwalaj¹ wiêc na mniejsze

rozmiary kondensatorów, a wiêc

ni¿szy koszt.

Inny element istotny przy oce-

nie op³acalnoci pamiêci FRAM

stanowi¹ pozosta³e uk³ady wcho-

dz¹ce w sk³ad scalanej struktury,

jak po³¹czenia, dekodery, wzmac-

niacze odczytu, bufory wyjciowe

i pompy napiêcia. Zwolennicy

uk³adów FRAM wskazuj¹ tu na

pewn¹ zaletê tej technologii w po-

równaniu z pamiêciami EEPROM.

W przypadku pamiêci FRAM przy

operacji zapisu wykorzystywane

jest bezporednio napiêcie 3,3V,

natomiast technologia EEPROM

wymaga wewnêtrznych uk³adów

podnosz¹cych napiêcie. Poniewa¿

wysi³ki konstruktorów pamiêci

FRAM s¹ obecnie skupione bar-

dziej na uzyskaniu niskiego po-

boru mocy ni¿ szybkiego dostêpu,

niepotrzebne staj¹ siê szybkie,

zajmuj¹ce du¿o miejsca bufory

wyjciowe. Przewidywane prze-

jcie do komórki 1T-1C oznacza

tak¿e dalsz¹ minimalizacjê roz-

miarów wzmacniaczy odczytu oraz

po³¹czeñ miêdzy liniami bitowy-

mi.

A. Parametry czasowe

tego uk³adu s¹ bliskie paramet-

rów wspó³czesnych pamiêci

DRAM.

Zarówno Matsushita jak i Mic-

ron Technology wyst¹pi³y na

ISSCC w 1994. Micron Technolo-

gy przedstawi³a przegl¹d techno-

logii i zastosowañ FRAM, jednak

bez ujawniania stanu oraz planu

prac rozwojowych. Firmy Matsus-

hita i Symetrix przedstawi³y pa-

miêæ FRAM o pojemnoci 256kb,

czasie dostêpu 100ns i zasilaniu

3,3V. Uk³ad wykorzystuje komór-

kê 1T-1C, z pojedyncz¹ warstw¹

metalu, technologiê 1,2

Technologia FRAM eliminuje

tak¿e potrzebê stosowania odrêb-

nego uk³adu sterowania zasila-

niem oraz baterii niezbêdnych

w przypadku SRAM z podtrzyma-

niem bateryjnym.

Skala technologii procesu i jej

zgodnoæ z technologiami innych

uk³adów tak¿e maj¹ wp³yw na

koszty. Najlepsze wspó³czesne

mikroprocesory, pamiêci DRAM

i SRAM wykorzystuj¹ technologiê

0,3

m oraz

dielektryk Y-1, który nie jest

materia³em PZT.

Dokumentacje Ramtron i Hita-

chi pozwalaj¹ zorientowaæ siê, ¿e

celem obu firm jest doprowadze-

nie do wykorzystywania ich tech-

nologii FRAM w nieulotnych pa-

miêciach RAM, pamiêciach

SRAM z podtrzymaniem bateryj-

nym oraz EEPROM, a nastêpnie

rozszerzenie zastosowañ na pa-

miêci SRAM o niskim poborze

mocy, niskiej pojemnoci pamiêci

FLASH oraz DRAM. Inne firmy

oferuj¹ce pamiêci FRAM maj¹

zbli¿one zamierzenia. W chwili

obecnej wszystkie te firmy trak-

tuj¹ FRAM jako doskona³¹ tech-

nologiê pamiêci do takich no-

wych zastosowañ, jak inteligen-

tne karty i karty identyfikacyjne

RF (RFID). W tym ostatnim zasto-

sowaniu, w którym czêsto wystê-

puj¹ operacje zapisu i odczytu,

ca³a energia zasilania pobierana

jest z pola elektromagnetycznego

emitowanego przez nadajnik.

W przypadku RFID operacje za-

pisu i odczytu powinny wymagaæ

niewiele energii i trwaæ krótko,

tak by dystans miêdzy nadajni-

m, podczas gdy pa-

miêæ FRAM wykonywana jest

w starszej technologii 0,8

m - 0,4

m -

m. Takie rozwi¹zanie pozwala

producentom pamiêci FRAM wy-

korzystaæ ju¿ zamortyzowane

sprzêt i technologie. Niestety, star-

sza technologia oznacza ni¿sz¹

gêstoæ upakowania bitów, która

przy masowej produkcji ma wiêk-

sze znaczenie ni¿ koszty urz¹-

dzeñ. Nie bez znaczenia jest fakt,

¿e proces wytwarzania pamiêci

FRAM jest w 75% zgodny z pro-

cesem produkcji DRAM, a ró¿nice

wystêpuj¹ tylko w kilku ostatnich

etapach, w tym w etapie nak³ada-

nia ferroelektryka.

Tomasz Jaworski

W artykule wykorzystano ma-

teria³y udostêpnione przez firmy

Ramtron, SGS-Thomson oraz Hi-

tachi.

Elektronika Praktyczna 9/97

m, na

dielektryku z tlenków bizmutu,

tantalu i strontu, posiada³ komór-

kê 1T-1C, a jego pobór pr¹du

w stanie aktywnym i w stanie

standby wynosi³ odpowiednio

50mA i 10

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: