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 alternativas de memoria de acceso aleatorio no volátil que ofrecen la misma funcionalidad que la memoria flash . Un chip FeRAM contiene una fina película de material ferroeléctrico , a menudo titanato de circonato de plomo , comúnmente conocido como PZT. Los átomos de la capa de PZT cambian de polaridad en un campo eléctrico, produciendo así un interruptor binario de bajo consumo. Sin embargo, el aspecto más importante del PZT es que no se ve afectado por cortes de energía o interferencias magnéticas, lo que convierte a FeRAM en 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 marcadas desventajas de FeRAM son densidades de almacenamiento mucho más bajas que los dispositivos flash, limitaciones de capacidad de almacenamiento y mayor costo. Al igual que la DRAM, el proceso de lectura de FeRAM es destructivo y requiere una arquitectura de escritura tras lectura .
La RAM ferroeléctrica fue propuesta por el estudiante graduado 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 dinámica de acceso aleatorio ( DRAM ) de semiconductores de óxido metálico (MOS ) a principios de los años 1970, [7] el desarrollo de FeRAM comenzó a finales de los años 1980. En 1991 se realizó un trabajo en el Laboratorio de Propulsión a Chorro (JPL) de la NASA para mejorar los métodos de lectura, incluido un método novedoso de lectura no destructiva que utiliza pulsos de radiación UV. [8]
FeRAM se comercializó a mediados de los años 1990. En 1994, la empresa de videojuegos Sega utilizó chips FeRAM para almacenar juegos guardados en Sonic the Hedgehog 3 , que envió varios millones de cartuchos de juego ese año. [9] En 1996, Samsung Electronics introdujo 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 utiliza FeRAM es la tarjeta de memoria PlayStation 2 de Sony (8 MB) , lanzada en 2000. [ cita necesaria ] El microcontrolador (MCU) de la tarjeta de memoria fabricado por Toshiba contenía 32 kb (4 kB ) integrados FeRAM fabricado mediante un proceso MOS (CMOS) complementario de 500 nm . [10]
Un importante fabricante moderno de FeRAM es Ramtron , una empresa de semiconductores sin fábrica . Uno de los principales licenciatarios es Fujitsu , que opera una de las líneas de producción de fundición de semiconductores más grandes con capacidad FeRAM. Desde 1999 utilizan esta línea para producir FeRAM independientes, así como chips especializados (por ejemplo, chips para tarjetas inteligentes) con FeRAM integradas. 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 prototipo de un FeRAM de 8 megabits fabricado 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 DRAM convencional consiste en una red de pequeños capacitores y su cableado asociado y transistores de señalización . Cada elemento de almacenamiento, una celda , consta de un condensador y un transistor, el llamado dispositivo "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 celdas incluyen un capacitor y un transistor de acceso. En un condensador de celda DRAM, se utiliza un dieléctrico lineal, mientras que en un condensador de celda FeRAM la estructura dieléctrica incluye material ferroeléctrico , típicamente titanato de circonato de plomo (PZT).
Un material ferroeléctrico tiene una relación no lineal entre el campo eléctrico aplicado y la carga aparentemente almacenada. Específicamente, la característica ferroeléctrica tiene la forma de un bucle de histéresis , que tiene una forma muy similar al bucle de histéresis de los materiales ferromagnéticos . La constante dieléctrica de un ferroeléctrico suele ser 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, producido por pequeños cambios en las posiciones de los átomos y cambios en las distribuciones de carga electrónica en la estructura cristalina. Una vez eliminada 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 se codifica un "1" utilizando la polarización remanente negativa "-Pr", y un "0" se codifica utilizando la polarización remanente positiva "+Pr".
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 cada lado de ella, forzando a los átomos del interior a adoptar la orientación "arriba" o "abajo" (dependiendo de la polaridad de la carga), almacenando así un "1 " o "0". La lectura, sin embargo, es algo diferente que en 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 a medida que empujan los 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, la lectura de FeRAM es un proceso destructivo y requiere que se vuelva a escribir la celda.
En general, el funcionamiento de FeRAM es similar al de la memoria con núcleo de ferrita , una de las principales formas de memoria de computadora en la década de 1960. Sin embargo, en comparación con la memoria central, FeRAM requiere mucha menos energía para cambiar el estado de polaridad y lo hace mucho más rápido.
El principal determinante del coste de un sistema de memoria es la densidad de los componentes utilizados para componerlo. Componentes más pequeños, y en menor cantidad, significan que se pueden empaquetar más células en un solo chip, lo que a su vez significa que se pueden 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 escalamiento es un importante punto de comparación. 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, pueden construirse en líneas similares y tamaños similares. En ambos casos, el límite inferior parece estar definido por la cantidad de carga necesaria para activar los amplificadores de detección. Para la DRAM, esto parece ser un problema alrededor de 55 nm, punto en el que la carga almacenada en el condensador 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 metálicas de un condensador 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 materiales ferroeléctricos; un enfoque, por ejemplo, utiliza adsorbatos moleculares. [13]
Hasta la fecha, los dispositivos FeRAM comerciales se han producido en 350 nm y 130 nm. Los primeros modelos requerían dos celdas FeRAM por bit, lo que daba lugar a densidades muy bajas, pero desde entonces esta limitación se ha eliminado.
La ventaja clave de FeRAM sobre DRAM es lo que sucede entre los ciclos de lectura y escritura. En la DRAM, la carga depositada en las placas metálicas se filtra a través de la capa aislante y del transistor de control y desaparece. Para que una DRAM almacene datos durante un tiempo que no sea muy corto, cada celda debe leerse periódicamente y luego reescribirse, un proceso conocido como actualización . Cada celda debe actualizarse muchas veces por segundo (normalmente 16 veces por segundo [15] ) y esto requiere un suministro continuo de energía.
Por el contrario, FeRAM sólo requiere energía cuando realmente lee o escribe una celda. La gran mayoría de la energía utilizada en la DRAM se utiliza para la actualización, por lo que parece razonable sugerir que el punto de referencia citado por los investigadores de STT-MRAM también es útil aquí, ya que indica un uso de energía aproximadamente un 99% menor que el de la DRAM. Sin embargo , el aspecto de lectura destructiva de FeRAM puede ponerlo en desventaja en comparación con MRAM .
Otro tipo de memoria no volátil es la flash , y al igual que la FeRAM no requiere proceso de actualización. 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 FeRAM tenga menor potencia que la flash, al menos para escritura, ya que la potencia de escritura en FeRAM es sólo marginalmente mayor que la de lectura. Para un dispositivo de "lectura mayoritaria" la diferencia puede ser leve, pero para dispositivos con lectura y escritura más equilibrada se podría esperar que la diferencia sea mucho mayor.
La confiabilidad de los datos está garantizada en F-RAM incluso en un entorno de campo magnético elevado en comparación con MRAM . Los dispositivos F-RAM de Cypress Semiconductors [16] son inmunes a los fuertes campos magnéticos y no muestran ninguna falla 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 reescribir con un patrón de datos diferente después de la exposición a campos magnéticos.
La velocidad de la DRAM está limitada por la velocidad a la que la carga almacenada en las celdas puede drenarse (para lectura) o almacenarse (para escribir). En general, esto termina definido por la capacidad de los transistores de control, la capacitancia de las líneas que llevan energía a las celdas y el calor que genera esa energía.
FeRAM se basa en el movimiento físico de los átomos en respuesta a un campo externo, que es extremadamente rápido, con un promedio de aproximadamente 1 ns. En teoría, esto significa que FeRAM podría ser mucho más rápida que DRAM. Sin embargo, dado que la energía tiene que 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 FeRAM requeriría menos carga que DRAM, porque las DRAM necesitan retener la carga, mientras que en FeRAM se habría escrito antes de que se agotara la carga. Sin embargo, hay un retraso en la escritura porque la carga tiene que fluir a través del transistor de control, lo que limita un poco la corriente.
En comparación con el flash, las ventajas son mucho más evidentes. Mientras que la operación de lectura probablemente sea similar en velocidad, la bomba de carga utilizada para escribir requiere un tiempo considerable para "acumular" corriente, un proceso que FeRAM no necesita. Las memorias flash normalmente necesitan un milisegundo o más para completar una escritura, mientras que las FeRAM actuales pueden completar una escritura en menos de 150 ns.
Por otro lado, FeRAM tiene sus propios problemas de confiabilidad, incluidas las huellas dactilares y la fatiga. La impresión 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 un ciclo extenso.
La velocidad teórica de FeRAM no está del todo clara. Los dispositivos existentes de 350 nm tienen tiempos de lectura del orden de 50 a 60 ns. Aunque son lentas en comparación con las DRAM modernas, que se pueden encontrar con tiempos del orden de 20 ns, las DRAM comunes de 350 nm funcionan con un tiempo de lectura de aproximadamente 35 ns, [17] por lo que la velocidad de FeRAM parece ser comparable dada la misma tecnología de fabricación.
FeRAM sigue siendo una parte relativamente pequeña del mercado general de semiconductores. En 2005, las ventas mundiales de semiconductores ascendieron a 235 mil millones de dólares (según el Grupo Gartner ), y el mercado de memorias flash representó 18,6 mil millones de dólares (según IC Insights). [ cita necesaria ] Se informó que las ventas anuales de 2005 de Ramtron, quizás el mayor proveedor de 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 varios bits por celda (actualmente 4 en los dispositivos flash NAND de mayor densidad), y se prevé que la cantidad de bits por celda flash aumente a 8 como resultado de las innovaciones en el diseño de las celdas flash. Como consecuencia, las densidades de bits reales de la memoria flash son mucho más altas que las de FeRAM y, por lo tanto, el costo por bit de memoria flash es órdenes de magnitud menor que el de FeRAM.
La densidad de las matrices de FeRAM podría aumentar 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, reducir el tamaño de la celda puede hacer que la señal de datos se debilite demasiado para ser detectable. En 2005, Ramtron informó ventas significativas de sus productos FeRAM en una variedad de sectores que incluyen (pero no se limitan a) medidores de electricidad , [24] automoción (por ejemplo, cajas negras , bolsas de aire inteligentes ), máquinas comerciales (por ejemplo, impresoras, controladores de disco RAID ) , instrumentación, equipos médicos, microcontroladores industriales y etiquetas de identificación por radiofrecuencia . Las otras NVRAM emergentes, como la MRAM, pueden intentar ingresar a nichos de mercado similares en competencia con la FeRAM.
Texas Instruments demostró que era posible integrar celdas FeRAM utilizando dos pasos de enmascaramiento adicionales [ cita necesaria ] durante la fabricación de semiconductores CMOS convencionales. Flash normalmente requiere nueve máscaras. Esto hace posible, por ejemplo, la integración de FeRAM en microcontroladores, donde un proceso simplificado reduciría costes. 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 contaminación y compatibilidad con el proceso CMOS. Texas Instruments ha incorporado una cantidad de memoria FRAM a sus microcontroladores MSP430 en su nueva serie FRAM. [25]
A partir de 2021, diferentes proveedores vendían chips con no más de 16 Mb de memoria en tamaño de almacenamiento (densidad). [26]
En el mayor volumen de uso hasta ahora de 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 un juego. entre sesiones.
La FRAM está garantizada por un mínimo de 10.000.000.000 de ciclos de escritura.