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环保存储:F-RAM



摘要:本文介绍了新的环保存储器件F-RAMZ(铁电存储器)的数据指标,并与其他主流存储进行了比较。
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关键词:存储器;非易失性;F-RAM;Ramtron

设计工程师正努力不懈地降低产品的功耗,这样产品在整个寿命周期(比如说25年)只需要一个电池便可。目前的发展趋势是:超低功耗正为几乎不需要电池的新产品种类铺路,这些新产品是以“能量收成”的概念为基础(即从环境中取得能量来为产品供电)。
这两种类别的关键是产品能够以非常低的功耗进入休眠状态,其功耗非常低,就像设备基本上关机,因为即使休眠也会消耗太多的功率。只要产品在重启时能够记忆其状态,关机就没有问题。因此,需要具有较低工作电流与高写入耐用性的非易失性存储器。具备这些特点的存储器,就可以生产出绝对不需要插电及更换新电池的设备。

低功耗存储器

关注这些存储器要求,我们将看看非易失性串行存储器技术,即用于存储配置数据的通用存储器结构的功耗。此处比较了F-RAM(铁电存储器)、EEPROM与闪存三种技术。因为闪存只能使用串行外设接口(SPI),我们将它与SPI版本的EEPROM与F-RAM进行比较。

为了此项研究,我们计算和比较了每种存储器技术执行写入与擦除所耗用的能量。能量是一种很好的比较方法,因为它考虑了任务的持续时间及执行任务所需的电能。
能量(焦耳)=功率(瓦特)×时间(秒)
使用公式:功率=伏特×安培,来代替功率,我们得到:
能量=伏特×安培×时间
我们选择对写入与擦除进行比较,因为这三种存储器技术在这些任务中差别最大,而读入过程即使在工作速度、电压及电流消耗不同时,对每种技术来说却都大致相同。有人可能认为,串行接口的速度在此处起到重要的作用,然而,当以不同的SPI总线速度对相同部分进行重复计算时,所消耗的总能量大致保持不变(我相信爱因斯坦的能量守恒定律在此处适用)。

为了消除任何与计算SPI总线开销有关的问题(比如发布命令与建立地址),我们采用了可观的数据量(准确地说是64Kb)进行比较。此外,EEPROM与闪存技术采用页面缓冲器,让更大数量的数据可同时写入,从而加快写入过程。当数据量是页的整数时,这些页的效率最高。F-RAM没有页面缓冲器,因为它能够以与SPI总线输送数据同样快的速度写入数据。
F-RAM与EEPROM没有擦除时间,闪存则需要相当长的时间来擦除扇区。因此,我们将比较它需要多长时间来擦除64Kb数据及写入新数据。
最后,必须知道制造商提到功耗时并不总是使用一致的标准。=,=。此处所用的数值是资料表中规定的最差情况数值。
串行数据闪存擦除页/扇区时,需要耗用大量的能量,因为这些操作需时较长。EEPROM与闪存使用轮询技术(pollingtechniques),而不是等待一段最差情况所需的时间来完成操作,从而减少了两者的能量要求。资料表没有清楚显示当写入/擦除完成时,写入/擦除周期中消耗的电流是否自动逐步减少或是否继续。

F-RAM的工作原理

F-RAM技术的核心是集成在电容器中的微小铁电晶体,这些晶体使F-RAM可像快速非易失性RAM那样工作。铁电晶体有两个稳定的电极化状态,施加电场后,两个状态间可以转换。内部电路可检测出这种电极化的方向,分别是高和低逻辑状态。每个极化取向都是稳定的,即使在电场移除后仍保持不变,因此能将数据保存在存储器中而不需要定期更新。F-RAM是通过在CMOS基层上覆盖铁电薄膜,并将其夹在两个电极间而构成。这个工艺通过金属互联和钝化完成。
F-RAM技术从问世以来已发展得相当成熟。最初的F-RAM器件必须是两个晶体管或两个电容组成(2T/2C)的存储构造,而这种结构的单元尺寸较大。随着铁电材料和工艺技术不断进步,使得铁电存储阵列中各个单元就不再需要内部参考电容。这种由一个晶体管和一个电容组成的存储单元与DRAM一样,仅用一个电容就可为存储阵列内存提供公共参考,从而有效地减小了所需的存储单元尺寸,即约为原来2T/2C单元的一半。这种单元构造大大提高了裸片含量,并降低了F-RAM存储器产品的制造成本。
为提高存储单元的成本效益,F-RAM工艺也已经向更小的技术节点发展。-RAM产品,,而单位晶圆上的裸片含量却同时增加。采用德州仪器的130nm工艺后,F-RAM在器件密度方