La 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. FeRAM es una de un número creciente de tecnologías de memoria de acceso aleatorio no volátil alternativas que ofrecen la misma funcionalidad que la memoria flash . Un chip FeRAM contiene una película delgada de material ferroeléctrico , a menudo zirconato titanato de plomo , comúnmente conocido como PZT. Los átomos en la capa PZT cambian la polaridad en un campo eléctrico, produciendo así un interruptor binario de bajo consumo de energía. Sin embargo, el aspecto más importante del PZT es que no se ve afectado por la interrupción de la energía o la interferencia magnética, lo que hace que FeRAM sea una memoria no volátil confiable. [1]
Las ventajas de FeRAM sobre Flash incluyen: menor consumo de energía, velocidades de escritura más rápidas [2] y una resistencia máxima de lectura/escritura mucho mayor (alrededor de 10 10 a 10 15 ciclos). [3] [4] Las FeRAM tienen tiempos de retención de datos de más de 10 años a +85 °C (hasta muchas décadas a temperaturas más bajas). Las desventajas marcadas de FeRAM son densidades de almacenamiento mucho más bajas 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 tras lectura.
La RAM ferroeléctrica fue propuesta por el estudiante de posgrado del MIT Dudley Allen Buck en su tesis de maestría, Ferroelectrics for Digital Information Storage and Switching, publicada en 1952. [5]
En 1955, Bell Telephone Laboratories estaba experimentando con memorias de cristal ferroeléctrico. [6] Tras la introducción de los chips de memoria de acceso aleatorio dinámico ( DRAM ) de semiconductores de óxido de metal (MOS) a principios de la década de 1970, [7] el desarrollo de FeRAM comenzó a fines 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, incluido un nuevo método de lectura no destructiva que utiliza pulsos de radiación UV. [8]
La FeRAM se comercializó a mediados de los años 1990. En 1994, la compañía de videojuegos Sega utilizó chips FeRAM para almacenar partidas guardadas en Sonic the Hedgehog 3 , que vendió varios millones de cartuchos de juego ese año. [9] En 1996, Samsung Electronics presentó un chip FeRAM de 4 Mb fabricado con lógica NMOS . [10] En 1998, Hyundai Electronics (ahora SK Hynix ) también comercializó la tecnología FeRAM. [11] El primer producto comercial conocido que utilizó FeRAM es la tarjeta de memoria PlayStation 2 de Sony (8 MB) , lanzada en 2000. [ cita requerida ] El microcontrolador (MCU) de la tarjeta de memoria fabricado por Toshiba contenía 32 kb (4 kB ) de FeRAM integrada fabricada mediante un proceso MOS complementario (CMOS) de 500 nm . [10]
Un importante fabricante moderno de FeRAM es Ramtron , una empresa de semiconductores sin fábrica . Un importante licenciatario es Fujitsu , que opera una de las líneas de producción de fundición de semiconductores más grandes con capacidad FeRAM. Desde 1999 han estado utilizando esta línea para producir FeRAM independientes, así como chips especializados (por ejemplo, chips para tarjetas inteligentes) con FeRAM integrados. Fujitsu produjo dispositivos para Ramtron hasta 2010. Desde 2010, los fabricantes de Ramtron han sido TI (Texas Instruments) e IBM. Desde al menos 2001, Texas Instruments ha colaborado con Ramtron para desarrollar chips de prueba FeRAM en un proceso modificado de 130 nm. En el otoño de 2005, Ramtron informó que estaban evaluando muestras de prototipos de una FeRAM de 8 megabits fabricada utilizando el proceso FeRAM de Texas Instruments. Fujitsu y Seiko-Epson colaboraron en 2005 en el desarrollo de un proceso FeRAM de 180 nm. En 2012, Ramtron fue adquirida por Cypress Semiconductor . [12] También se han informado 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 ).
La memoria DRAM convencional consta de una red de pequeños condensadores y su cableado asociado y transistores de señalización . Cada elemento de almacenamiento, una celda , consta de un condensador y un transistor, un dispositivo denominado "1T-1C".
El diseño de la celda de almacenamiento 1T-1C en una FeRAM es similar en construcción a la celda de almacenamiento en DRAM, en el sentido de que ambos tipos de celda incluyen un capacitor y un transistor de acceso. En un capacitor de celda DRAM, se utiliza un dieléctrico lineal, mientras que en un capacitor de celda FeRAM la estructura dieléctrica incluye material ferroeléctrico , típicamente zirconato titanato de plomo (PZT).
Un material ferroeléctrico tiene una relación no lineal entre el campo eléctrico aplicado y la carga aparentemente almacenada. En concreto, 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 . La constante dieléctrica de un ferroeléctrico es típicamente mucho más alta 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, producida por pequeños cambios en las posiciones de los átomos y cambios en las distribuciones de carga electrónica en la estructura cristalina. Una vez que se elimina la carga, los dipolos conservan su estado de polarización. Los "0" y "1" binarios se almacenan como una de las dos polarizaciones eléctricas posibles en cada celda de almacenamiento de datos. Por ejemplo, en la figura, un "1" se codifica utilizando la polarización remanente negativa "-Pr", y un "0" se codifica utilizando la polarización remanente positiva "+Pr".
En términos de funcionamiento, la FeRAM es similar a la DRAM. La escritura se logra aplicando un campo a través de la capa ferroeléctrica cargando las placas a cada lado de la misma, forzando a los átomos en el interior a orientarse "arriba" o "abajo" (dependiendo de la polaridad de la carga), almacenando así un "1" o un "0". Sin embargo, la lectura es algo diferente que en la DRAM. 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. Si la celda tenía un "1", la reorientación de los átomos en la película provocará un breve pulso de corriente en la salida mientras empujan electrones fuera del metal en el lado "abajo". La presencia de este pulso significa que la celda tenía un "1". Dado que este proceso sobrescribe la celda, leer FeRAM es un proceso destructivo y requiere que se vuelva a escribir la celda.
En general, el funcionamiento de FeRAM es similar a la memoria de núcleo de ferrita , una de las principales formas de memoria de computadora en la década de 1960. Sin embargo, en comparación con la memoria de núcleo, FeRAM requiere mucha menos energía para cambiar el estado de la polaridad y lo hace mucho más rápido.
El principal factor determinante del coste de un sistema de memoria es la densidad de los componentes que lo componen. Cuanto más pequeños sean los componentes y menos cantidad, más celdas se pueden colocar en un solo chip, lo que a su vez significa que se puede producir más a la vez a partir de una sola oblea de silicio. Esto mejora el rendimiento, que está directamente relacionado con el coste.
El límite inferior de este proceso de escalado es un punto de comparación importante. En general, la tecnología que 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 de manera similar en tamaños similares. 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 capacitor es demasiado pequeña para ser detectada. No está claro si FeRAM puede escalar al mismo tamaño, ya que la densidad de carga de la capa PZT puede no ser la misma que la de las placas de metal en un capacitor normal.
Una limitación adicional en cuanto al tamaño es que los materiales tienden a dejar de ser ferroeléctricos cuando son demasiado pequeños. [13] [14] (Este efecto está relacionado con el "campo de despolarización" del ferroeléctrico). Hay investigaciones en curso para abordar el problema de la estabilización de los materiales ferroeléctricos; un enfoque, por ejemplo, utiliza adsorbatos moleculares. [13]
Hasta la fecha, los dispositivos FeRAM comerciales se han producido a 350 nm y 130 nm. Los primeros modelos requerían dos celdas FeRAM por bit, lo que generaba densidades muy bajas, pero esta limitación se ha eliminado desde entonces.
La principal ventaja de la FeRAM sobre la DRAM es lo que ocurre entre los ciclos de lectura y escritura. En la DRAM, la carga depositada en las placas de metal se filtra a través de la capa aislante y el transistor de control, y desaparece. Para que una DRAM pueda almacenar datos durante un tiempo que no sea muy breve, cada celda debe leerse y luego reescribirse periódicamente, un proceso conocido como refresco . Cada celda debe refrescarse muchas veces por segundo (normalmente 16 veces por segundo [15] ) y esto requiere un suministro continuo de energía.
Por el contrario, la FeRAM solo requiere energía cuando realmente lee o escribe una celda. La gran mayoría de la energía utilizada en DRAM se utiliza para la actualización, por lo que parece razonable sugerir que el parámetro de referencia citado por los investigadores de STT-MRAM también es útil en este caso, ya que indica un uso de energía aproximadamente un 99 % menor que la DRAM. Sin embargo, el aspecto de lectura destructiva de la FeRAM puede ponerla en desventaja en comparación con la MRAM .
Otro tipo de memoria no volátil es la flash y, al igual que la FeRAM, no requiere un proceso de actualización. La flash funciona empujando electrones a través de una barrera aislante de alta calidad donde quedan "atascados" 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 sea de menor potencia que la flash, al menos para escritura, ya que la potencia de escritura en la FeRAM es solo marginalmente mayor que la de lectura. Para un dispositivo "mayoritariamente de lectura", la diferencia podría ser leve, pero para dispositivos con lectura y escritura más equilibradas, se podría esperar que la diferencia sea mucho mayor.
La confiabilidad de los datos está garantizada en F-RAM incluso en un entorno de alto campo magnético en comparación con MRAM . Los dispositivos F-RAM de Cypress Semiconductor [16] son inmunes a los fuertes campos magnéticos y no muestran fallas bajo las intensidades máximas de campo magnético disponibles (3700 Gauss para inserción horizontal y 2000 Gauss para inserción vertical). Además, los dispositivos F-RAM permiten la reescritura con un patrón de datos diferente después de la exposición a los campos magnéticos.
La velocidad de la memoria DRAM está limitada por la velocidad a la que se puede descargar (para leer) o almacenar (para escribir) la carga almacenada en las celdas. En general, esto queda definido por la capacidad de los transistores de control, la capacitancia de las líneas que llevan la energía a las celdas y el calor que genera la energía.
La FeRAM se basa en el movimiento físico de los átomos en respuesta a un campo externo, que es extremadamente rápido, con un promedio de alrededor de 1 ns. En teoría, esto significa que la FeRAM podría ser mucho más rápida que la DRAM. Sin embargo, dado que la energía debe fluir hacia la celda para leer y escribir, los retrasos eléctricos y de conmutación probablemente serían similares a los de la DRAM en general. Parece razonable sugerir que la FeRAM requeriría menos carga que la DRAM, porque las DRAM necesitan mantener la carga, mientras que la FeRAM se habría escrito antes de que la carga se hubiera agotado. Sin embargo, hay un retraso en la escritura porque la carga debe fluir a través del transistor de control, lo que limita un poco la corriente.
En comparación con las memorias flash, las ventajas son mucho más obvias. Mientras que la operación de lectura es probablemente similar en velocidad, la bomba de carga utilizada para la escritura requiere un tiempo considerable para "acumular" corriente, un proceso que la memoria FeRAM no necesita. Las memorias flash normalmente necesitan un milisegundo o más para completar una escritura, mientras que las memorias FeRAM actuales pueden completar una escritura en menos de 150 ns.
Por otro lado, la FeRAM tiene sus propios problemas de confiabilidad, entre ellos la impronta y la fatiga. La impronta es el estado de polarización preferencial de las escrituras anteriores a ese estado, y la fatiga es el aumento del voltaje de escritura mínimo debido a la pérdida de polarización después de un ciclo extenso.
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 son lentos en comparación con las DRAM modernas, que se pueden encontrar con tiempos del orden de 20 ns, las DRAM de 350 nm comunes funcionaban con un tiempo de lectura de aproximadamente 35 ns, [17] por lo que la velocidad de la FeRAM parece ser comparable dada la misma tecnología de fabricación.
La memoria FeRAM sigue siendo una parte relativamente pequeña del mercado global de semiconductores. En 2005, las ventas mundiales de semiconductores fueron de 235 mil millones de dólares (según el Grupo Gartner ), y el mercado de memoria flash representó 18,6 mil millones de dólares (según IC Insights). [ cita requerida ] Las ventas anuales de 2005 de Ramtron, quizás el mayor proveedor de memoria FeRAM, fueron de 32,7 millones de dólares. Las ventas mucho mayores de memoria flash en comparación con las NVRAM alternativas respaldan un esfuerzo de investigación y desarrollo mucho mayor. 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). Las celdas de memoria flash pueden almacenar múltiples bits por celda (actualmente 4 en los dispositivos flash NAND de mayor densidad), y se proyecta que la cantidad de bits por celda flash aumentará a 8 como resultado de las innovaciones en el diseño de celdas flash. Como consecuencia, las densidades de bits de área de la memoria flash son mucho más altas 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.
La densidad de las matrices FeRAM podría aumentarse mediante mejoras en la tecnología del proceso de fundición de FeRAM y en las estructuras de las celdas, como el desarrollo de estructuras de condensadores verticales (de la misma manera que 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 se vuelva demasiado débil para ser detectable. En 2005, Ramtron informó de ventas significativas de sus productos FeRAM en una variedad de sectores que incluyen (pero no se limitan a) medidores de electricidad , [24] automotrices (por ejemplo , cajas negras , bolsas de aire inteligentes ), máquinas comerciales (por ejemplo, impresoras, controladores de disco RAID ), instrumentación, equipo médico, microcontroladores industriales y etiquetas de identificación por radiofrecuencia . Las otras NVRAM emergentes, como MRAM, pueden buscar entrar en nichos de mercado similares en competencia con FeRAM.
Texas Instruments demostró que es posible integrar células FeRAM utilizando dos pasos de enmascaramiento adicionales [ cita requerida ] durante la fabricación convencional de semiconductores CMOS. Flash normalmente requiere nueve máscaras. Esto hace posible, 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 y contaminación del proceso CMOS. Texas Instruments ha incorporado una cantidad de memoria FRAM en sus microcontroladores MSP430 en su nueva serie FRAM. [25]
A partir de 2021, diferentes proveedores vendían chips con un tamaño de almacenamiento (densidad) de memoria no superior a 16 Mb. [26]
En el uso de mayor volumen hasta la fecha de memorias RAM ferroeléctricas no volátiles (FRAM), el fabricante de videojuegos Sega ha enviado varios millones de copias de su nuevo juego, "Sonic the Hedgehog III", que incorpora FRAMS de Ramtron International Corp para guardar una partida entre sesiones.
La memoria FRAM está garantizada por un mínimo de 10 000 000 000 de ciclos de escritura.
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MSP430
de 16 bits ofrece soluciones asequibles para muchas aplicaciones. ... En la actualidad, existen dos series principales basadas en el tipo de memoria no volátil (NVM): las familias Flash y las familias FRAM. Los microcontroladores FRAM consumen menos energía y combinan las características de Flash y RAM. ... La serie FRAM incluye MSP430FR2xx, MSP430FR4xx, MSP430FR5xx y MSP430FR6xx