探讨铁电存贮器FRAM技术原理与应用

　　1 引言

　　美国Ramtron公司铁电存贮器（FRAM）的技术是铁电晶体材料．这一特殊材料使得铁电存贮产品同时拥有随机存取记忆体(RAM) 和非易失性存贮产品的特性。
　　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，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个明显的优点是FRAM可以跟随总线速度（busspeed）写入。与EEPROM的不同便是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

　我们向来用EEPROM 来存储设置资料和启动程式，用SRAM 来暂存系统或运算变数．如果掉电后这些数据仍需保留的话，我们会通过加上后备电池的方法去实现．很久以来我们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．

　　3.1 数据采集与记录

　　铁定存储器（FRAM）可以让设计者更快、更频繁地将数据写入非易失性存储器，而且价格比EEPROM低。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。数据采集通常包括采集和存储两部分，系统所采集的数据（（除临时或中间结果数据外）需要在掉电后能够保存，这些功能是数据采集系统或子系统所具有的基本功能。在大多数情况下，一些历史记录是很重要的。

 　　典型应用：仪表 （电表、气表、水表、流量表）、RF/ID、仪器，、和汽车黑匣子、安全气袋、GPS定位系统、电力电网监控系统。

　　3.2 参数设置与存储

　　FRAM通过实时存储数据帮助系统设计者解决了突然断电数据丢失的问题。参数存储用于跟踪系统在过去时间内的改变，它的目的包括在上电状态时恢复系统状态或者确认一个系统错误。总的来说，数据采集是系统或子系统的功能，不论何种系统类型，设置参数存储都是一种底层的系统功能。

 　　典型应用： 影印机，打印机， 工业控制， 机顶盒 （Set-Top-Box）， 网络设备（网络调制解调器）和大型家用电器。

　　3．3 非易失性缓冲（buffer）记忆

　　铁电存贮器（FRAM）可以在数据传递储存在其它存储器之前快速存储数据。在此情况下，信息从一个子系统非实时地传送到另一个子系统去.。由于资料的重要性, 缓冲区内的数据在掉电时不能丢失.，在某些情况下，目标系统是一个较大容量的存储装置。FRAM以其擦写速度快、擦写次数多使数据在传送之前得到存储。

　　典型应用：工业系统、银行自动提款机 (ATM), 税控机, 商业结算系统 (POS), 传真机，未来将应用于硬盘非易失性高速缓冲存储器。

　　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。典型应用包括: 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.

　　4 RAMTRONFRAM铁电存贮器

　　Ramtron串行（serial）非易失性RAM尊循标准工业接口。2－wire产品可为单片机（microcontroller）配选少的接线。而SPI产品虽然需要多一至两个接线，但具有高速和通讯协议简单的优点。

　　表2 RAMTRON串行FRAM产品的型号及其参数:

　　Ramtron并列（parallel）非易失性RAM与标准的SRAM管脚兼容。且其并行FRAM对SRAM加后备电池方案做了较大改进。系统工程师再不需要担心电池干涸，也不需要系统里加上笨拙的机械装置。FRAM的封装就象SRAM一样有简单的贴片封装（SOIC）或插脚封装（DIP），从而使您可以放心将电池仍掉了！

　　表3 所示列为并列FRAM的型号参数