铁电存贮器FRAM技术原理

1 引言

　　铁电存贮器（FRAM）的核心技术是铁电晶体材料。这一特殊材料使得铁电存贮器产品同时拥有随机存取记忆体（RAM）和非易失性存贮器产品的双重特性。

铁电晶体材料的工作原理是：当我们把电场加载到铁电晶体材料上时，晶阵中的中心原子会沿着电场方向运动，最后到达稳定状态。晶阵中的每个自由浮动的中心原子只有两个稳定状态。一个记忆逻辑中的0，另一个记亿1。该中心原子能在常温且没有电场的情况下停留在此状态达一百年以上。因此，铁电记忆体不需要定时刷新便能在断电情况下保存数据。

由于在整个物理过程中没有任何原子碰撞，因而铁电记忆体（FRAM）拥有高速读写、超低功耗和无限次写入等超级特性。

2 存贮器的基础知识

　　传统半导体记忆体有易失性记忆体（volatilememory）和非易失性记忆体（non－volatile memory）两大体系。易失性记忆体如SRAM和DRAM，它们在没有电源的情况下都不能保存数据，但这种存贮器拥有快速、易用及性能好等优点。

　　而非易失性记忆体（像EPROM，EEPROM和FLASH）则可在断电后继续保存资料。但由于所有这些记忆体均起源于只读存贮器（ROM）技术，所以它们都有不易写入的缺点。确切的说，这些缺点包括写入缓慢、写入次数有限以及写入时需要较大功耗等。

　　图1是16kB铁电存贮器（FRAM）和16kBEEP－ROM的性能比较。可以看出：FRAM第一个最明显的优点是FRAM可以跟随总线速度（busspeed）写入。与EEPROM的最大不同便是FRAM在写入后无须任何等待时间。而EEPROM则要等待几毫秒（ms）才能写进下一笔资料。


　　铁电存贮器（FRAM）的第二大优点是几乎可以无限次写入。当EEPROM只能应付十万（10的5次方）至一百万次写入时，新一代的铁电存贮器（FRAM）已可达到一亿个亿次（10的16次方）的写人寿命。

　　铁电存贮器（FRAM）的第三大优点是超低功耗。EEPROM的慢速和高电流写入使得它需要有高出FRAM存贮器2，500倍的能量去写入每个字节。

　　表1给出了16kB内存在总线速度为400kHz时，FM24C16型铁电存贮器与其它几种存贮器的性能比较。


　　由于铁电存贮器（FRAM）包含了RAM技术的优点，又同时拥有ROM技术的非易失性特点。因此，为业界提供了一个崭新的存贮器产品：一个非易失性的RAM。

3 FRAM铁电存贮器的应用

　　通常人们往往用EEPROM来存储设置资料和启动程序，而用SRAM来暂存系统或运算变数。但如果掉电后这些数据仍需保留的话，人们会通过加上后备电池的方法去实现。很久以来，人们都没有检验这种记忆体架构的合理性。铁电存贮器（FRAM）的出现为大家提供了一个简洁而高性能的一体化存贮技术的新构想。

3．1 数据采集和记录

　　铁电存贮器（FRAM）的出现使工程师可以运用非易失性的特点进行多次高速写入。而在这以前，在只有EEPROM的情况下，大量数据采集和记录对工程师来说是一件非常头疼的事。

数据采集包括记录和贮存数据。更重要的是能在失去电源的情况下不丢失任何资料。在数据采集的过程中，通常数据均需要不断高速写入并对旧资料进行更新。 EEPROM的写入寿命和速度往往不能满足要求。而现在的FRAM便可在现代仪表（电力表，水表，煤气表，暖气表，记程车表）、测量、医疗仪表、非接触式聪明卡（RFID）、门禁系统以E及汽车记录仪（了解汽车事故的黑匣子）等系统中得到广泛的应用。

3．2 存储配置参数（Configuration／Setting Data）

　　以往在只有EEPROM的情况下，由于写入次数的限制，工程师们只能在侦测到掉电的时候，才把更新了的配置参数及时地存进EEPROM里。这种做法很明显地存在着可靠性问题。铁电存贮器（FRAM）的推出使工程师可以有更大的空间去选择实时记录最新的配置参数。从而免去了是否能在掉电时及时写入的忧虑。因此可广泛用于电子电话簿、影印机、打印机、工业控制、机顶盒（Set－Top－Box）、网络设备、TFT屏显、游戏机、自动贩卖机等系统。

3．3 非易失性缓冲（buffer）记忆

　　铁电存贮器（FRAM）无限次快速擦写特性使得这种产品十分适合于担当重要系统里的暂存（buffer）记忆体。在一些重要系统里，往往需要把资料从一个子系统非实时地传到另一个子系统去。由于资料的重要性，缓冲区内的数据在掉电时不能丢失。以往，工程师们只能通过SRAM加后备电池的方法去实现。这种方法隐藏着电池耗尽，化学液体泄出等安全和可靠性问题。铁电存贮器（FRAM）的出现为业界提供了一个高可靠性，而且低成本的方案。从而使得用于银行自动提款机（ATM）、税控机、商业结算系统（POS）、传真机等系统中时更加安全可靠。

3．4 SRAM的取代和扩展

　　铁电存贮器（FRAM）以其无限次快速擦写和非易失性等特点，令系统工程师可以把现在在线路板上分离的SRAM和EEPROM器件整合到一个铁电存贮器（FRAM）里。从而为整个系统节省出更多的功率、成本和空间。同时也增加了整个系统的可靠性。 不难设想，人们可以用铁电存贮器（FRAM）加一个便宜的单片机（microcontroller）来取代一个较贵的SRAM嵌入式单片机和外围EEPROM。