RAM-ul Feroelectric

RAM-ul Feroelectric

Descriere

RAM-ul feroelectric (FeRAM) este un tip de memorie nevolatila, cu o constructie similara cu DRAM-ul, dar care utilizeaza un strat feroelectric pentru a asigura non-volatilitatea. Desi piata memoriilor nevolatile este in prezent dominata de dispozitive Flash, FeRAM-ul ofera o serie de avantaje, in special consumul mai redus, viteza marita, si numar mult mai mare de cicluri stergere-scriere (peste 10¹⁶) in contrast cu memoria Flash, care necesita tensiuni si energii ridicate pentru o programare relativ lenta, limitata la cca. 10⁵ cicluri.

In prezent dispozitivele FeRAM se produc in serie (Freescale Semiconductor a introdus un model de 4Mbit in iulie 2006), dar nu se pot apropia de capacitatile de ordinul G-bitilor oferite de Flash - utilizarea lor fiind limitata la nise in care Flash-ul nu este corespunzator.

Functionare

Memoriile DRAM conventionale constau intr-o retea de mici condensatoare precum si conexiunile si tranzistoarele de semnalizare asociate. Fiecare element de stocare, o celula, consta dintr-un condensator si un tranzistor (1T-1C). Dimensiunea celulelor DRAM scade concomitent cu dimensiunea procesului folosit    pentru fabricatia semiconductoarelor. De exemplu pe procesul de 90nm o celula DRAM are o suprafata de 0.22 µm², incluzand condensatorul, tranzistorul, conexiunile precum si spatiul liber dintre componente.

Celula de stocare 1T-1C folosita in FeRAM are o structura similara cu cea DRAM, cu deosebirea ca in loc de dielectric liniar, in condensator se foloseste un material cu proprietati feroelectrice, de obicei zirconat titanat de plumb (PTZ).

Dupa cum se poate observa in figura, un material feroelectric prezinta o relatie neliniara intre campul electric aplicat si sarcina aparenta stocata, caracteristica formand o bucla de histerezis foarte asemanatoare cu cea a materialelor feromagnetice. Constanta dielectrica a PTZ este mult mai mare decat cea a unui dielectric liniar, datorita efectului unor dipoli electrici semipermanenti formati in structura cristalina a materialului. Cand se aplica un camp electric, dipolii tind sa se alinieze pe directia campului, prin mici deplasari ale pozitiei atomilor si ale distributiei sarcinilor in reteaua cristalina, modificari ce se pastreaza si dupa indepartarea campului. De exemplu in figura, un "1" se codifica utilizand polarizarea negativa remanenta -Pr, iar "0" folosind +Pr.

Operational, FeRAM-ul este similar cu DRAM-ul. Scrierea se realizeaza aplicand un camp de-a lungul stratului feroelectric prin incarcarea condensatorului, cu polaritatea corespunzatoare unui bit "1" sau "0". Citirea se face distructiv, prin suprascriere: se scrie de exemplu valoarea "0"; daca celula continea deja "0", nu se intampla nimic; in schimb, daca celula continea "1", se detecteaza un scurt puls de curent prin condensator, pe masura ce electronii sunt impinsi din metal. Prezenta impulsului indica faptul ca celula continea valoarea inversa celei inscrise. Celula trebuie deci rescrisa dupa citire.

Comparatie cu alte sisteme

Densitatea

Cel mai important factor in costul memoriei unui sistem este densitatea componentelor utilizate. Densitati mai mari inseamna mai putine componente, mai mici, si mai ieftine. Liniile de productie FeRAM si DRAM sunt foarte asemanatoare. In ambele cazuri, limita inferioara a miniaturizarii este data de cantitatea de sarcina necesara pentru declansarea amplificatoarelor de sens. Pentru DRAM limita pare sa fie in jur de 55nm, punct in care sarcina stocata in condensator devine nedetectabila. Nu se stie inca daca FeRAM-ul poate cobori la acelasi nivel, datorita diferentelor dielectric / PTZ.

Pana in prezent singurele dispozitive FeRAM comerciale au fost produse pe echipamente depasite, la 350 nm. Procese experimentale pe 180 si 130 nm sunt in stadiu de dezvoltare.

Consumul

Un avantaj cheie al FeRAM comparativ cu DRAM este comportarea intre doua cicluri de scriere - citire. Spre deosebire de DRAM, care pierde sarcina si necesita un ciclu de refresh periodic (ex. la 16-64 msec), FeRAM-ul absoarbe energie numai la scrierea sau citirea efectiva, realizand un consum cu 99% mai mic.

Intr-un dispozitiv Flash, memorarea se face fortand trecerea electronilor printr-o bariera izolatoare, unde devin "intepeniti" pe terminalul unui tranzistor. Acest proces necesita o tensiune ridicata, in contrast cu FeRAM-ul care necesita energii mult mai reduse pentru scriere, comparabile cu cele de citire. Diferenta este semnificativa pentru dispozitive in care scrierea este principala activitate, de exemplu o camera digitala.

Viteza

Viteza DRAM este limitata de viteza cu care se pot incarca sau descarca condensatoarele, la randul ei determinata de caracteristicile transistoarelor, capacitatii linilor de alimentare, si puterii disipate. In FeRAM viteza miscarii atomilor ca raspuns la campul aplicat este de ordinul 1ns, dar datorita similitudinii cu DRAM-ul, vitezele de scriere/citire sunt apropiate. In raport cu memoria Flash, viteza de citire e comparabila, dar viteza de scriere este mult mai mare, modele existente deja pe piata fiind de circa 100 ori mai rapide.

Performantele teoretice ale FeRAM nu sunt inca foarte clare. Dispozitivele existente au timpi de citire de ordinul 50 ns. Desi lente in raport cu DRAM-ul modern, care ajunge pana la 2ns, FeRAM-ul este competitiv cu DRAM realizat pe acelasi proces de 350 nm, care are un timp de citire in jur de 35 ns.

Concluzie

Memoria Flash este la ora actuala tehnologia nevolatila dominanta, si aparent situatia se va pastra pentru anii urmatori. Vanzarile mult mai mari permit bugete de cercetare/dezvoltare enorme, la care alte tehnologii nu au acces. Memoria Flash este produsa pe cele mai moderne linii de fabricatie (70nm in 2006), in timp ce FeRAM-ul se produce pe echipamente depasite tehnologic (350nm Fujitsu in 2006). Celulele Flash pot stoca mai multi biti simultan - actualmente 2, dar se prognozeaza o crestere la 4 sau 8 biti pe celula, prin urmare costurile Flash sunt cu ordine de marime mai mici decat cele FeRAM.

Bibliografie

https://en.wikipedia.org/wiki/Ferroelectric_RAM