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RAM ferroeléctrica

FeRAM de Ramtron condensador ferroeléctrico FRAM La memoria RAM ferroeléctrica ( FeRAM , F-RAM o FRAM ) es una memoria de acceso aleatorio similar en construcción a la DRAM , pe...

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FeRAM de Ramtron
condensador ferroeléctrico FRAM

La memoria RAM ferroeléctrica ( FeRAM , F-RAM o FRAM ) es una memoria de acceso aleatorio similar en construcción a la DRAM , pero que utiliza una capa ferroeléctrica en lugar de una capa dieléctrica para lograr la no volatilidad. [ 1 ] [ 2 ] La FeRAM es una tecnología alternativa de memoria de acceso aleatorio no volátil que ofrece la misma funcionalidad que la memoria flash . [ 3 ] Un chip FeRAM contiene una película delgada de material ferroeléctrico , a menudo titanato de zirconato de plomo , comúnmente conocido como PZT. [ 4 ] Los átomos en la capa de PZT cambian de polaridad en un campo eléctrico, produciendo así un interruptor binario de bajo consumo energético. Sin embargo, el aspecto más importante del PZT es que no se ve afectado por interrupciones de energía o interferencias magnéticas, lo que convierte a la FeRAM en una memoria no volátil confiable . [ 5 ]

Las ventajas de FeRAM sobre Flash incluyen: menor consumo de energía, velocidades de escritura más rápidas [ 6 ] y una resistencia máxima de lectura/escritura mucho mayor (aproximadamente de 10¹⁰ a 10¹⁵ ciclos). [ 7 ] [ 8 ] Las FeRAM tienen tiempos de retención de datos de más de 10 años a +85  °C (y décadas a temperaturas más bajas). [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] Las principales desventajas de FeRAM son densidades de almacenamiento mucho menores que los dispositivos flash, limitaciones de capacidad de almacenamiento y mayor costo. Al igual que DRAM, el proceso de lectura de FeRAM es destructivo, lo que requiere una arquitectura de escritura después de lectura. [ 1 ] [ 2 ]

Historia

La RAM ferroeléctrica fue propuesta por el estudiante de posgrado del MIT Dudley Allen Buck en su tesis de maestría, Ferroeléctricos para almacenamiento y conmutación de información digital, publicada en 1952. [ 12 ]

En 1955, Bell Telephone Laboratories experimentaba con memorias de cristal ferroeléctrico. [ 13 ] Tras la introducción de los chips de memoria de acceso aleatorio dinámico ( DRAM ) de metal-óxido-semiconductor (MOS) a principios de la década de 1970, [ 14 ] el desarrollo de FeRAM comenzó a finales de la década de 1980. En 1991 se trabajó en el Laboratorio de Propulsión a Chorro (JPL) de la NASA para mejorar los métodos de lectura, incluyendo un novedoso método de lectura no destructiva mediante pulsos de radiación UV. [ 15 ]

FeRAM se comercializó a mediados de la década de 1990. En 1994, la compañía de videojuegos Sega utilizó chips FeRAM para almacenar partidas guardadas en Sonic the Hedgehog 3 , del cual se distribuyeron varios millones de cartuchos ese año. [ 16 ] En 1996, Samsung Electronics presentó un chip FeRAM de 4 Mb fabricado con lógica NMOS . [ 17 ] En 1998, Hyundai Electronics (ahora SK Hynix ) también comercializó la tecnología FeRAM. [ 18 ] El primer producto comercial conocido que utilizó FeRAM es la tarjeta de memoria PlayStation 2 de Sony (8 MB) , lanzada en 2000. [ 19 ] El microcontrolador (MCU) de la tarjeta de memoria, fabricado por Toshiba , contenía 32 kb (4 kB ) de FeRAM integrada fabricada con un proceso CMOS ( MOS complementario ) de 500 nm . [ 17 ]   

En 1999, Fujitsu comenzó a producir FeRAM independientes, así como chips especializados (por ejemplo, chips para tarjetas inteligentes ) con FeRAM integradas para Ramtron. [ 20 ] En 2010, Ramtron cambió a Texas Instruments e IBM.

En 2024-2025, la investigación sobre memoria RAM ferroeléctrica se centró en materiales basados ​​en HfO₂ para lograr compatibilidad con CMOS, escalabilidad a <10  nm e integración en nodos avanzados (22-28  nm). El número de ciclos superó los 10¹², con requisitos de energía reducidos.

Los prototipos ofrecían matrices de 9 a 16 Mb con una resistencia de 10¹² y tiempos de lectura/escritura de 5 a 7 ns.

Proveedores

Ramtron es una empresa de semiconductores sin fábrica propia . Uno de sus principales licenciatarios es Fujitsu , que opera una de las mayores líneas de producción de semiconductores con capacidad FeRAM. En 2012, Ramtron fue adquirida por Cypress Semiconductor . [ 21 ]

Se han publicado informes sobre proyectos de investigación de FeRAM en Samsung , Matsushita , Oki , Toshiba , Infineon , Hynix , Symetrix, la Universidad de Cambridge , la Universidad de Toronto y el Centro Interuniversitario de Microelectrónica (IMEC, Bélgica ).

Descripción

Estructura de una celda FeRAM

La DRAM convencional consta de una cuadrícula de pequeños condensadores y sus transistores de cableado y señalización asociados . Cada elemento de almacenamiento, una celda , consta de un condensador y un transistor, un dispositivo denominado "1T-1C". [ 22 ]

El diseño de la celda de almacenamiento 1T-1C en una FeRAM es similar en construcción a la celda de almacenamiento en DRAM, ya que ambos tipos de celda incluyen un condensador y un transistor de acceso. [ 23 ] [ 24 ] En el condensador de una celda DRAM, se utiliza un dieléctrico lineal, mientras que en el condensador de una celda FeRAM la estructura dieléctrica incluye material ferroeléctrico , típicamente titanato de zirconato de plomo (PZT). [ 22 ]

Un material ferroeléctrico tiene una relación no lineal entre el campo eléctrico aplicado y la carga aparentemente almacenada. [ 25 ] Específicamente, la característica ferroeléctrica tiene la forma de un bucle de histéresis , que es muy similar en forma al bucle de histéresis de los materiales ferromagnéticos . [ 26 ] La constante dieléctrica de un ferroeléctrico es típicamente mucho mayor que la de un dieléctrico lineal debido a los efectos de los dipolos eléctricos semipermanentes formados en la estructura cristalina del material ferroeléctrico. Cuando se aplica un campo eléctrico externo a través de un dieléctrico, los dipolos tienden a alinearse con la dirección del campo, producidos por pequeños desplazamientos en las posiciones de los átomos y desplazamientos en las distribuciones de carga electrónica en la estructura cristalina. [ 26 ] Después de que se elimina la carga, los dipolos conservan su estado de polarización. Los valores binarios "0" y "1" se almacenan como una de las dos posibles polarizaciones eléctricas en cada celda de almacenamiento de datos [ 27 ] 2021 2027 Estado y perspectivas de la industria global y regional de arietes ferroeléctricos Mercado profesional – Market Reports World .

En términos de funcionamiento, FeRAM es similar a DRAM. La escritura se logra aplicando un campo a través de la capa ferroeléctrica cargando las placas a ambos lados de ella, forzando a los átomos en su interior a la orientación "arriba" o "abajo" (dependiendo de la polaridad de la carga), almacenando así un "1" o un "0" Introducción a DRAM (Memoria de Acceso Aleatorio Dinámica) - Artículos Técnicos . La operación de lectura también es similar a DRAM Memoria RAM Ferroeléctrica: Operación de Tecnología FRAM  » Notas de Electrónica . El transistor fuerza a la celda a un estado particular, digamos "0". Si la celda ya tenía un "0", no sucederá nada en las líneas de salida. [ 1 ] Si la celda tenía un "1", la reorientación de los átomos en la película causará un breve pulso de corriente en la salida a medida que empujan los electrones fuera del metal en el lado "abajo" Memoria RAM Ferroeléctrica: Operación de Tecnología FRAM  » Notas de Electrónica . La presencia de este pulso significa que la celda tenía un "1". Dado que este proceso sobrescribe la celda, la lectura de FeRAM es un proceso destructivo y requiere que la celda se vuelva a escribir. [ 1 ] [ 28 ]

En general, el funcionamiento de la FeRAM es similar al de la memoria de núcleo de ferrita , una de las principales formas de memoria informática en la década de 1960 (Tecnología de memoria informática: de los anillos de ferrita a la FRAM) . Sin embargo, en comparación con la memoria de núcleo, la FeRAM requiere mucha menos energía para cambiar el estado de polaridad y lo hace mucho más rápido.

Características y propiedades

Densidad

El principal factor determinante del coste de un sistema de memoria es la densidad de los componentes que lo conforman. Componentes más pequeños y en menor cantidad permiten integrar más celdas en un solo chip, lo que a su vez significa que se puede producir más a partir de una sola oblea de silicio. [ 2 ] Esto mejora el rendimiento, que está directamente relacionado con el coste. [ 29 ]

El límite inferior de este proceso de escalado es un punto de comparación importante. En general, la tecnología que se escala al tamaño de celda más pequeño terminará siendo la menos costosa por bit. En términos de construcción, FeRAM y DRAM son similares y, en general, se pueden construir en líneas similares con tamaños similares. [ 30 ] [ 2 ] En ambos casos, el límite inferior parece estar definido por la cantidad de carga necesaria para activar los amplificadores de detección. Para DRAM, esto parece ser un problema alrededor de los 55  nm, punto en el que la carga almacenada en el condensador es demasiado pequeña para ser detectada. [ 31 ]

Una limitación adicional en cuanto al tamaño es que los materiales tienden a dejar de ser ferroeléctricos cuando son demasiado pequeños. [ 32 ] [ 33 ] (Este efecto está relacionado con el "campo de despolarización" del ferroeléctrico). Se están realizando investigaciones para abordar el problema de la estabilización de materiales ferroeléctricos; un enfoque, por ejemplo, utiliza adsorbentes moleculares. [ 32 ]

Consumo de energía

La principal ventaja de FeRAM sobre DRAM es lo que sucede entre los ciclos de lectura y escritura. [ 34 ] En DRAM, la carga depositada en las placas metálicas se filtra a través de la capa aislante y el transistor de control, y desaparece. Para que una DRAM almacene datos durante un tiempo que no sea muy corto, cada celda debe leerse y reescribirse periódicamente, un proceso conocido como actualización . Cada celda debe actualizarse muchas veces por segundo (normalmente 16 veces por segundo [ 35 ] ) y esto requiere un suministro continuo de energía. En cambio, FeRAM solo requiere energía cuando realmente lee o escribe una celda. FRAM puede reducir la energía y aumentar el rendimiento en sistemas basados ​​en MCU .

Otro tipo de memoria no volátil es la memoria flash , y al igual que la FeRAM, no requiere un proceso de refresco. [ 26 ] La memoria flash funciona empujando electrones a través de una barrera aislante de alta calidad donde se "atascan" en un terminal de un transistor . Este proceso requiere altos voltajes, que se acumulan en una bomba de carga con el tiempo. Esto significa que se podría esperar que la FeRAM consuma menos energía que la memoria flash, al menos para la escritura, ya que la potencia de escritura en la FeRAM es solo marginalmente mayor que la de lectura de la FRAM (Smart IC Memory de Texas Instruments) . Para un dispositivo "principalmente de lectura", la diferencia podría ser pequeña, pero para dispositivos con una lectura y escritura más equilibradas, se podría esperar que la diferencia sea mucho mayor. [ 34 ]

Fiabilidad

La fiabilidad de los datos está garantizada en F-RAM incluso en un entorno de campo magnético alto en comparación con MRAM . Los dispositivos F-RAM de Cypress Semiconductor [ 36 ] son ​​inmunes a los campos magnéticos fuertes y no muestran ninguna falla bajo las intensidades máximas de campo magnético disponibles (3700 gauss para inserción horizontal y 2000 gauss para inserción vertical) FRAM - Smart IC Memory de Texas Instruments . Además, los dispositivos F-RAM permiten la reescritura con un patrón de datos diferente después de la exposición a los campos magnéticos. [ 29 ]

Velocidad

La velocidad de la DRAM está limitada por la velocidad a la que se puede descargar (para lectura) o almacenar (para escritura) la carga almacenada en las celdas. [ 34 ] En general, esto termina estando determinado por la capacidad de los transistores de control, la capacitancia de las líneas que transportan energía a las celdas y el calor que genera dicha energía. [ 27 ]

FeRAM se basa en el movimiento físico de átomos en respuesta a un campo externo, que es extremadamente rápido, con un promedio de aproximadamente 1 ns. [ 34 ] En teoría, esto significa que FeRAM podría ser mucho más rápido que DRAM. Sin embargo, dado que la energía tiene que fluir hacia la celda para la lectura y la escritura, [ 37 ] los retrasos eléctricos y de conmutación probablemente serían similares a los de DRAM en general. Parece razonable sugerir que FeRAM requeriría menos carga que DRAM, porque las DRAM necesitan mantener la carga, mientras que FeRAM se habría escrito antes de que la carga se hubiera agotado. [ 29 ] Sin embargo, hay un retraso en la escritura porque la carga tiene que fluir a través del transistor de control, lo que limita la corriente de alguna manera Memorias ferroeléctricas: el punto medio .

En comparación con la memoria flash, las ventajas son mucho más evidentes. [ 24 ] Si bien la operación de lectura probablemente sea similar en velocidad, la bomba de carga utilizada para la escritura requiere un tiempo considerable para "acumular" corriente, un proceso que FeRAM no necesita. [ 30 ] Las memorias flash suelen necesitar un milisegundo o más para completar una escritura, mientras que las FeRAM actuales pueden completar una escritura en menos de 150 ns. [ 38 ]

Por otro lado, FeRAM tiene sus propios problemas de confiabilidad, incluyendo impronta y fatiga. [ 2 ] [ 39 ] La impronta es el estado de polarización preferencial de escrituras anteriores a ese estado, y la fatiga es el aumento del voltaje mínimo de escritura debido a la pérdida de polarización después de ciclos extensos. [ 24 ]

La velocidad teórica de la FeRAM no está del todo clara.  Los dispositivos de 350 nm existentes tienen tiempos de lectura del orden de 50 a 60 ns. Aunque lentos en comparación con las DRAM modernas, que pueden tener tiempos del orden de 20 ns,  las DRAM comunes de 350 nm funcionaban con un tiempo de lectura de unos 35 ns, [ 40 ] por lo que la velocidad de la FeRAM parece ser comparable dada la misma tecnología de fabricación.

Métricas adicionales

Aplicaciones

  • Registrador de datos en dispositivos médicos portátiles/implantables, ya que la FeRAM consume menos energía [ 46 ] en comparación con otras memorias no volátiles como la EEPROM.
  • La retención de datos fiable y de bajo consumo energético de Feram las convierte en una opción ideal para dispositivos IoT como dispositivos electrónicos portátiles, sensores y actuadores..
  • FeRAM se utiliza en dispositivos portátiles, contadores inteligentes y monitores médicos..
  • La FRAM tiene un gran potencial en la industria automotriz, siendo uno de sus principales beneficios su rápida capacidad de escritura. Infineon da la bienvenida a nuevos dispositivos a su flota de RAM ferroeléctrica para automóviles - Noticias .
  • A menudo se integran en etiquetas RFID para proporcionar escrituras rápidas, bajo consumo de energía y alta durabilidad, lo que permite actualizaciones de datos seguras y frecuentes para aplicaciones como el seguimiento de la cadena de suministro, el control de acceso y las tarjetas inteligentes. Razones para elegir RFID con FeRAM integrado | RAMXEED .

Mercado

FeRAM sigue siendo una parte relativamente pequeña del mercado general de semiconductores Ramtron . En 2005, las ventas mundiales de semiconductores fueron de US$235 mil millones (según Gartner Group ), con el mercado de memoria flash representando US$18.6 mil millones (según IC Insights). [ 47 ] Las ventas anuales de 2005 de Ramtron, quizás el mayor proveedor de FeRAM, fueron reportadas en US$32.7 millones. Las ventas mucho mayores de memoria flash en comparación con las NVRAM alternativas respaldan un esfuerzo mucho mayor de investigación y desarrollo. La memoria flash se produce utilizando anchos de línea de semiconductores de 30  nm en Samsung (2007) mientras que las FeRAM se producen en anchos de línea de 350  nm en Fujitsu y 130  nm en Texas Instruments (2007) Introducción a FRAM (RAM ferroeléctrica) incluyendo su historia . Las celdas de memoria flash pueden almacenar múltiples bits por celda (actualmente 4 en los dispositivos flash NAND de mayor densidad), y se prevé que el número de bits por celda flash aumente a 8 como resultado de las innovaciones en el diseño de celdas flash. Una guía para la memoria flash NAND: comparación de SLC, MLC, TLC y QLC . En consecuencia, las densidades de bits por área de la memoria flash son mucho mayores que las de FeRAM, y por lo tanto, el costo por bit de la memoria flash es órdenes de magnitud menor que el de FeRAM. [ 37 ]

La densidad de las matrices FeRAM podría incrementarse mediante mejoras en la tecnología de procesos de fundición de FeRAM y en las estructuras de las celdas, como el desarrollo de estructuras de condensadores verticales (de la misma manera que en la DRAM) para reducir el área de la huella de la celda. Sin embargo, la reducción del tamaño de la celda puede hacer que la señal de datos sea demasiado débil para ser detectable. [ 37 ] En 2005, Ramtron informó de ventas significativas de sus productos FeRAM en una variedad de sectores que incluyen (pero no se limitan a) contadores de electricidad , [ 48 ] automoción (por ejemplo, cajas negras , airbags inteligentes ), máquinas de oficina (por ejemplo, impresoras, controladores de discos RAID ), instrumentación, equipos médicos, microcontroladores industriales y etiquetas de identificación por radiofrecuencia . Las otras NVRAM emergentes, como la MRAM, podrían intentar entrar en mercados nicho similares en competencia con la FeRAM. [ 49 ]

Texas Instruments demostró que es posible integrar celdas FeRAM utilizando dos pasos de enmascaramiento adicionales [ 50 ] durante la fabricación convencional de semiconductores CMOS. La memoria flash normalmente requiere nueve máscaras. Esto permite, por ejemplo, la integración de FeRAM en microcontroladores, donde un proceso simplificado reduciría los costos. Sin embargo, los materiales utilizados para fabricar FeRAM no se utilizan comúnmente en la fabricación de circuitos integrados CMOS. Tanto la capa ferroeléctrica PZT como los metales nobles utilizados para los electrodos plantean problemas de compatibilidad con el proceso CMOS y de contaminación. Texas Instruments ha incorporado una cantidad de memoria FRAM en sus microcontroladores MSP430 en su nueva serie FRAM. [ 51 ]

Cronograma de capacidad

A partir de 2021, diferentes proveedores vendían chips con no más de 16 MB de memoria en tamaño de almacenamiento (densidad). [ 52 ]

Véase también

Referencias

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Chips IC
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