原创 [博客大赛]FRAM

2013-4-1 11:47 542 0 分类: MCU/ 嵌入式

本文由Ken Lee独立整理完成,首发于QQ空间,转载请注明作者与出处。作者水平有限,难免存在错误,不足之处请指正。由于个人原因,原署名斌斌-龙臻,Mr_D_prince不再使用,由Ken Lee和newofcortexm3替代。

 

什么是FRAM FRAM 是指铁电随机存取存储器 Ferroelectric Random AccessMemory)。这是最新的非易失性存储器技术,它将SRAM的速度、写入寿命及低功耗与闪存存储能力相结合,将传统器件上的两个存储器替换为一个统一的代码和数据存储空间。FRAM的功耗极低,在1.5V下即可进行编程,而不是像闪存那样需要10-14V。因此器件上无电荷泵。这也意味着在FRAM上编程无需擦除周期,具备比闪存速度更快、功耗更低的存储优势。

       通常用作典型的铁电质材料是 PZT (Lead zirconate titanate-锆钛酸铅)PZT晶体结构点阵中具有锆和钛,作为两个稳定点。它们可以根据外部电场在两个点之间移动。一旦位置设定,即使再出现电场,它也将不会再有任何移动。顶部和底部的电极安排了一个电容器。那么,电容器划分了底部电极电压和极化,超越了磁滞回线。数据以“1”“0”的形式存储。

 

1.      当加置磁场时就会产生极化。(锆/钛离子在晶体中向上或向下移动)

2.      即使在不加置磁场的情况下,也能保持电极。

3.      两个稳定的状态以“0”“1”的形式存储。

一般说来,这种铁电材料的数据存储性能取决于 PZT 中心原子的极化。由于在晶体中浮动的中心原子实际上能够在1 毫微秒内达到稳定状态,因此这种极化活动能够以极低的功耗非常快速地出现。其性质非常像DRAM,其中各个单元均采用单晶体管和单电容器。这意味着 FRAM内存单元所需面积减少很多,且可采用处理器架构进行类似处理。但不同的是,其如 DRAM 中的电荷一样,不可能泄漏分子极化,在没有电场时状态保持不变。这使得 FRAM 为非易失性,即断电时,FRAM上的数据不会丢失。

单个 FRAM单元可被视为一个偶极电容器(dipolecapacitor),它由两个电极板和之间的铁电材料薄膜构成。存储“1”“0”时(写入FRAM 时),只需中心原子按电场方向移动极化。这使得 FRAM 速度非常快,易于写入,能够充分满足写入寿命的要求。类似于FRAM写入,从 FRAM 读取也需要对铁电材料电容器施加一个电场。根据中心原子所处状态,重新极化,从而引起出一个大的电荷击穿。这个电荷随即与已知参数进行对比,从而判断中心原子的状态。存储的数据位“1”“0”从感应电荷推断得出。在读取数据的过程中,按电场方向移动的中心原子会失去当前的状态。因此每次读取后,都需要进行写回操作,恢复存储单元的状态。读写过程如下图(1)所示。

20130401111118303004.jpg

图(1):FRAM/写过程 

常见的存储器主要有EEPROMSRAM等,与传统存储器相比,具有明显的优势如图(2)所示。

 

20130401111128183006.jpg

图(2):对比

 

        那么FRAM 写入速度究竟有多快?这取决于应用程序。了解 FRAM 访问速度的关键是了解系统级限制。 通常,起限制作用的不是 FRAM 访问速度本身,而是通过有线或无线外围通讯设施写入FRAM 时的数据处理开销或协议开销。变换影响访问速度的三种常见因素: DMA 的使用, 系统速度,数据块大小。但是对比于传统的存储器,其写入的快速性已经有了质的飞跃。另外,即使在 85 摄氏度下未启用状态下,FRAM的写入寿命至少 10 年。

 

    注:由于博客的字数所限,此只是原文的一部分,详情见附件。

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