Сегнетоэлектрические FRAM-приборы производства Ramtron. Часть 2

Ramtron International Corporation — стремительно развивающаяся компания, являющаяся разработчиком технологии FRAM и мировым лидером в сфере разработки и производства электронных компонентов по запотентованной фирмой технологии FRAM.

Все статьи цикла:

• Сегнетоэлектрические FRAM-приборы производства Ramtron. Часть 1
• Сегнетоэлектрические FRAM-приборы производства Ramtron. Часть 2

Корпорация Ramtron International была основана в 1984 году для разработки сегнетоэлектрического технологического процесса производства полупроводниковых запоминающих приборов и с 1994 года начала производство первых коммерческих приборов по запатентованной фирмой технологии FRAM. За прошедшие годы фирма освоила небольшой, но обладающий уникальными свойствами ассортимент энергонезависимых приборов FRAM на основе усовершенствованного сегнетоэлектрического технологического процесса. Совершенствование технологии осуществляется по двум направлениям.

Первое — переход на запоминающий элемент, выполненный на базе однотранзисторной ячейки памяти 1Т/1С (рис.1). Первое в мире коммерческое изделие, выполненное по технологии 1T/1С (прибор FM24C256), было представлено на рынок в 2001 году. Ранее при производстве FRAM-приборов использовалась двухтранзисторная ячейка памяти 2T/2С. Переход на технологическую ячейку с одним транзистором и одним конденсатором позволил существенно сократить площадь кристалла, необходимую для размещения запоминающего элемента.

Второе направление — это научные исследования в области совершенствования самих сегнетоэлектрических материалов, используемых при производстве FRAM-приборов. Следует обратить внимание на такую технологическую особенность ячейки памяти FRAM, как отсутствие какого-либо повышенного напряжения записи. Запись информации в чейку производится напряжением, не превышающим напряжение питания самой микросхемы. Это позволяет исключить какие-либо задержки при переключении из режима записи в режим чтения и наоборот. Эксплуатация микросхем, не использующих внутренние повышенные напряжения питания отдельных узлов и каскадов, существенно повышает надежность и эксплуатационные характеристики приборов. Использование напряжения питания микросхем для непосредственной записи информации в ячейку памяти позволяет также полностью использовать такое потенциальное преимущество технологии FRAM, как отсутствие каких-либо задержек при записи информации. В принципе, быстродействие технологической ячейки памяти FRAM обуславливается только быстродействием внутренних буферных схем FRAM-приборов.

В 2001 году специалисты Ramtron достигли существенных успехов как в совершенствовании самих сегнетоэлектрических материалов, так и в достижении таких их характеристик и параметров, которые позволили фирме перейти к производству различных коммерческих 3-вольтовых FRAM-приборов с одновременным улучшением большинства их характеристик, в том числе продолжительности хранения информации.

По достижении реальных надежностных характеристик по количеству циклов записи-чтения в 10 16–10 19 циклов для новой низковольтной (3 В) технологической ячейки памяти FRAM Ramtron International начала разработку и производство серии новых, низковольтных приборов с уникальными характеристиками. В настоящее время фирма производит целую серию последовательных (I2 C, SPI) и параллельных FRAM-приборов, для которых этот параметр определен как «Unlimited Read/Write Cicles » для работы в индустриальном диапазоне температур в течение 10 лет непрерывной эксплуатации.

Особенности применения FRAM-приборов

Основной особенностью всех FRAM-приборов является их полная программная (на уровне системы команд) и аппаратная совместимость с большинством EEPROM, поставляемых на рынок ведущими изготовителями полупроводниковых приборов энергонезависимой памяти, таких, как Microchip и ST, и соответствие всем отраслевым стандартам на приборы памяти.

Одной из самых важных отличительных особенностей FRAM-приборов, определяемой технологическими особенност ми ячейки памяти FRAM является полное отсутствие каких-либо задержек при записи информации и при переключении режимов работы микросхем. При модернизации аппаратуры и при разработке новых устройств с применением FRAM-приборов следует учитывать, что все они выполняют запись информации со скоростью системной шины и не нуждаются в дополнительных циклах, обычно программно формируемых управляющим микроконтроллером для записи в EEPROM. В случае с FRAM запись информации возможна в конвейерном режиме с использованием каналов прямого доступа к памяти или с использованием максимальной пропускной способности последовательной шины микроконтроллеров, имеющих аппаратную поддержку передачи данных по шинам I2 C и SPI. Таким образом, FRAM-память имеет скорость записи, сопоставимую с RAM, но при этом она полностью энергонезависима и способна гарантированно сохранять информацию в течение 10 лет при непрерывной работе в режиме чтения-записи или при полностью отключенном источнике питающего напряжения. Фактически приборы FRAM работают как RAM.

Еще одной важной отличительной особенностью FRAM-приборов, определяемой технологическими особенностями ячейки памяти,являются практически одинаковые токи потребления как в режиме чтения, так и в режиме записи. Так как запись информации в ячейку производится напряжением, не превышающим напряжение питания микросхем, приборы FRAM в динамическом режиме имеют мощность потребления намного меньше, чем любые EEPROM в режиме записи. Эта особенность снижает требования, предъявляемые к источнику питания микросхем, а также приводит к тому, что FRAM-приборы памяти генерируют намного меньше электромагнитного шума и помех на шинах питания и интерфейсных линиях по сравнению со стандартными для отрасли EEPROM.

Запоминающий элемент памяти имеет два устойчивых состояния, что принципиально отличает его от запоминающего элемента EEPROM. Его отличительной особенностью является намного большая разница в уровнях логического 0 и 1 и, как следствие, повышенная устойчивость FRAM к различным электромагнитным помехам, наводкам и излучениям, что в целом ряде прикладных применений оказывается неоспоримым преимуществом технологии. Эта особенность приборов обуславливает их широкое применение в таких приборах, как различные счетчики электроэнергии и портативное промышленное оборудование, предназначенное для работы в сильно зашумленных средах и условиях наличия сильных электромагнитных помех.

Дополнительно, в тех случаях, когда в цепях питания или на интерфейсных линиях присутствует серьезный шум или колебания питающего напряжения, продолжительное время записи EEPROM создает так называемое «окно уязвимости », в течение которого записываемые данные могут быть искажены. В отличие от этого запись информации в FRAM выполняется очень быстро, от нескольких наносекунд до микросекунды, в зависимости от конкретной модели. Таким образом, запись в FRAM выполняется достаточно быстро, чтобы избежать проблем с потерей информации от сбоев электропитания или от сильного электромагнитного шума.

FRAM-приборы с быстрым последовательным интефейсом

Линейка приборов FRAM с быстрым последовательным интерфейсом I2 C состоит из различных изделий с емкостями от 4 до 256 кбайт (табл.1). В скором времени планируется запуск в производство новых 3-вольтовых FRAM с емкостями до 1 Mбайт. Все приборы имеют лучшие по сравнению с EEPROM характеристики — и по количеству циклов записи, и по скорости записи. Приборы обладают временем записи байта до 12,5 мкс в зависимости от конкретной модели, характеризуются малым энергопотреблением как в режиме чтения, так и в режиме записи, и выдерживают более 10 10 циклов записи. Приборы изготавливаются по 0,5 –0,35-микронной технологии. В 2002 году освоено производство приборов FM24CL04, FM24CL16 и FM24CL64 с неограниченным количеством циклов чтения-записи. То есть фактически это полностью энергонезависимая память RAM, не имеющая каких-либо встроенных источников питания. Все приборы имеют одинаковые электрические характеристики и параметры и различаются только объемом.

Рассмотрим ключевые характеристики приборов на примере недавно анонсированного 64-килобитного прибора FM24C64-S, старшего в серии последовательных 3-вольтовых FRAM с шиной I2C. FM24C64-S это один из первых в мире коммерческих приборов FRAM-памяти, имеющий неограниченное количество циклов чтения-записи.

Описание изделия

FM24C64-S — 64-килобитное энергонезависимое ОЗУ со стандартным 2-проводным интерфейсом I2C, совместимое на уровне контактов с промышленным стандартом 24C64 EEPROM. Чтение и запись выполняются со скоростью шины до 1 МГц. FM24C64-S работает от 3-вольтового источника питания и потребляет 0,2 мА в режиме чтения или записи при частоте шины 100 кГц. FM24C64-S гарантирует 10 лет хранения данных и поставляется в 8-выводных корпусах EIAJ SOIC для индустриального температурного диапазона от –40 до +85 °C.

Конфигурация выводов

	Pin Names	Function
	A0-A2	Device Select Address
	SDA	Serial Data/Address
	SCL	Serial Clock
	WP	Write Protect
	VSS	Ground
	VDD	Supply Voltage 5V

Особенности прибора

FM24C64-S выполняет запись информации со скоростью шины I2C. При записи информации в микросхему нет никаких дополнительных задержек. Кроме того, приборы имеют фактически неограниченный ресурс циклов записи — намного больше, чем любые EEPROM. Кроме того, FRAM в режиме записи потребляет намного меньшую мощность, чем EEPROM. FM24C64-S легко каскадируется и совместим со стандартными EEPROM по системе команд.

Эти особенности делают прибор FM24C64-S идеальным для энергонезависимых применений памяти, требующих частой или быстрой записи данных. Примером могут быть различные системы сбора данных, где количество циклов записи может быть критично, а применение EEPROM с длительным временем записи может привести к потере данных. Комбинация особенностей FRAM позволяет производить более частую запись данных с меньшим риском потери данных для системы. Полный цикл памяти длится меньше, чем один такт шины. Поэтому любое действие, включая чтение или запись, может начинаться немедленно после операции записи данных или адреса. Подтверждение квитированием, используемое при работе с EEPROM, чтобы определить, закончился ли цикл записи, не нужно, и будет всегда возвращать код готовности.

Фактическая запись в память происходит после передачи восьмого бита данных. Запись выполняется прежде, чем будет послан по шине сигнал подтверждения. Если необходимо прервать запись без изменения содержимого памяти, это может быть сделано с помощью кода Start или Stop до окончания передачи всего байта данных по шине. FM24C64-S не использует буферизацию данных. Данные пишутся непосредственно в FRAM-массив.

Линейка FRAM, приборов с быстрым последовательным интерфейсом SPI

Линейка FRAM с быстрым последовательным интерфейсом SPI сегодня состоит из различных изделий с емкостями от 4 до 64 кбайт (табл.2). В скором времени планируется запуск в производство новых 3-вольтовых приборов с емкостями до 1 Mбайт. Все приборы имеют лучшие по сравнению с EEPROM характеристики — и по количеству циклов записи, и по скорости записи. Приборы обладают временами записи байта до 0,4 мкс в зависимости о от конкретной модели, характеризуются малым энергопотреблением как в режиме чтения, так и в режиме записи, и выдерживают более 10 10 циклов записи. Приборы изготавливаются по 0,5-микронной технологии. В 2002 году освоено производство приборов FM25CL64 с неограниченным количеством циклов чтения-записи. Фактически — это полностью энергонезависимая память RAM без каких-либо встроенных источников питания. Все приборы имеют одинаковые электрические характеристики и параметры и различаются только емкостью.

Рассмотрим ключевые характеристики приборов на примере низковольтного 64-килобитного FRAM-прибора FM25CL64-S, старшего в серии последовательных FRAM с шиной SPI. FM25CL64-S — это один из первых в мире коммерческих FRAM, имеющих неограниченное количество циклов чтения-записи.

Описание изделия

FM25CL64-S — 64—килобитное энергонезависимое ОЗУ со стандартным 3-проводным интерфейсом SPI, совместимое с промышленным стандартом 25C64 EEPROM на уровне выводов. Чтение и запись выполняются со скоростью шины до 20 МГц. FM25CL64-S работает от 3-вольтового источника питания и потребляет 5 мА в режиме чтения или записи при частоте шины 20 МГц.

FM25CL64-S гарантирует 10 лет хранения данных и поставляется в 8-выводных корпусах SOIC для индустриального температурного диапазона от –40 до +85 °C. SPI Mode 0&3 (CPOL, CPHA=0,0 &1,1).

Конфигурация выводов

	Pin Names	Function
	/CS	Chip Select
	/WP	Write Protect
	/HOLD	Hold
	SCK	Serial Clock
	SI	Serial Data Input
	SO	Serial Data Output
	VDD	Supply Voltage 5V
	VSS	Ground

Особенности прибора

FM25CL64-S выполняет запись информации со скоростью шины SPI. При записи информации в микросхему нет никаких дополнительных задержек. Следующий цикл шины может начинаться немедленно.

Кроме того, приборы имеют фактически неограниченный ресурс циклов записи — принципиально больше, чем любые EEPROM. Кроме того, в режиме записи FRAM потребляет намного меньшую мощность, чем EEPROM.

Приборы FM25CL64-S позволяют программно устанавливать как частичную, так и полную защиту от запиcи. Следует учитывать энергонезависимость регистра статуса — если в предыдущей рабочей сессии был сброшен признак WREN, то запись будет блокирована. При начале записи признак WREN должен быть установлен. Флаг WEL указывает состояние счетчика записи. Попытка прямой записи бита WEL не даст никакого эффекта.

Линейка FRAM-приборов с параллельным интерфейсом

Линейка FRAM с параллельным интерфейсом сегодня состоит из различных изделий с емкостями от 64 до 256 кбайт (табл.3). В скором времени планируется запуск в производство новых 3-вольтовых приборов с емкостями до 1 Mбайт. Все приборы имеют лучшие по сравнению с EEPROM характеристики — и по количеству циклов записи, и по скорости записи. Время записи байта — до 70 нс в зависимости о от конкретной модели. Приборы характеризуются малым энергопотреблением как в режиме чтения, так и в режиме записи, и выдерживают более 10 10 циклов записи. Приборы изготавливаются по 0,5-микронной технологии. В 2002 году освоено производство приборов FM18L08 с неограниченным количеством циклов чтения-записи. Фактически — это полностью энергонезависимая память RAM, без встроенных источников питания. Все приборы имеют одинаковые электрические характеристики и параметры и различаются только емкостью.

Рассмотрим ключевые характеристики приборов на примере низковольтного 256-килобитного прибора FM18L08, являющегося старшим в серии параллельных FRAM. FM18L08 — это первый в мире коммерческий FRAM-прибор с неограниченным количеством циклов чтения-записи.

Конфигурация выводов

	Pin Name	Type	Pin Description
	A0-A14	Input	15 линий адреса
	DQ0-7	I/O	8 линий данных
	/CE	Input	Выбор кристалла
	/OE	Input	Разрешение шины
	/WE	Input	Разрешение записи
	VDD	Supply	Напряжение питания
	VSS	Supply	Земля

Описание изделия

FM18L08 — 256-килобитное энергонезависимое ОЗУ со стандартной параллельной организацией, совместимое с промышленным стандартом JEDEC 32Kx8 SRAM &EEPROM на уровне выводов. Чтение и запись выполняются за 140 нс. FM18L08 работает от 3-вольтового источника питания и потребляет 15 мкA в пассивном режиме и 15 мA режиме чтения или записи. FM18L08 гарантирует 10 лет хранения данных и поставляется в 28-выводных корпусах SOIC или PDIP для индустриального температурного диапазона от –40 до +85 °C.

Особенности прибора

Прибор FM18L08 разрабатывался в первую очередь для замены BBSRAM, но нашел массу других применений. Типичный модуль SRAM со встроенной батареей выдерживает до 60 °C и 90% Rh, но при этом не учитываются вибрации и атмосферное давление. Однако FRAM-приборы проходят HAST-тесты (сильно ускоренный стрессовый тест). Эти тесты проводятся при следующих параметрах: 120 °C при 85% Rh, 24,4 psia и полном напряжении питания VDD.

Приборы FM18L08 обеспечивают работу в индустриальном температурном диапазоне при напряжении питания от 3 до 3,65 В. В то же время приборы допускают эксплуатацию при напряжении питания от 2,7 В, и при этом гарантируются все электрические параметры в диапазоне температур от 0 до +85 °C. Прибор выпускается в корпусе PDIP FM18L08-70-P.

Технологические и конструктивные особенности FRAM-приборов

Вся номенклатура поставляемых в настоящее время фирмой Ramtron International на рынок FRAM-приборов изготавливается по 0,5 –0,35-микронным топологическим проектным нормам с ячейкой памяти 1T/1C, за исключением приборов FM24C256, выполненных по новой технологии ячейки памяти IT/IC.

В настоящее время фирмой изготавливаются различные 5-и 3-вольтовые FRAM, имеющие как конструктивные, так и технологические отличия. Все 5-вольтовые FRAM изготавливаются на основе разработанного и запатентованного фирмой Ramtron International сегнетоэлектрического технологического процесса. Все они имеют конструктивное исполнение как в корпусах SOIC, так и в PDIP. В отличие от этого вся 3-вольтовая серия FRAM изготавливается только в корпусах типа SOIC, за исключением прибора FM18L08-10-P (корпус PDIP). Все 3-вольтовые приборы изготавливаются по усовершенствованному сегнетоэлектрическому технологическому процессу и имеют улучшенные характеристики и параметры долговременного хранения информации по сравнению с 5-вольтовыми приборами. Приборы FM24CL04A и FM24CL16A изготавливаются по 0,35-микронному техпроцессу и выдерживают 10 12 циклов чтения-записи.

Специалисты Ramtron постоянно работают над совершенствованием технологии в тесном сотрудничестве с ведущими производителями полупроводниковых приборов, такими, как Infineon, Hitachi, Fujitsu, Toshiba, Samsung, Texas Instruments, NEC и ST Microelectronics, с которыми Ramtron имеет соответствующие соглашения лицензирования и совместные проекты новых плотноупакованных FRAM-приборов. Такое взаимодействие с лидерами мирового рынка оказалось весьма плодотворным, что подтверждается результатами различных тестовых испытаний службой качества фирмы и независимыми экспертами. Результаты некоторых тестов, приводимых в данной статье (табл.4 –6), наглядно демонстрируют потенциальные возможности технологии FRAM и высокие показатели надежности, присущие этим приборам. Приведены результаты лишь некоторых, наиболее интересных на взгляд авторов, тестов, проводимых ежемесячно службами качества Ramtron.

Уже в начале 2002 года запатентованная фирменная сегнетоэлектрическая технология и вся выпускаемая фирмой Ramtron продукция была сертифицирована на соответствие стандартам IS09000. Следует отметить качественные изменения в технической документации на приборы и в технической информации на сайте фирмы (www.ramtron.com ), произошедшие в 2002 году. Так, в документации введена табличная информация обо всех внесенных изменениях и их дате за время жизни каждого FRAM-прибора с начала выпуска опытных образцов до настоящего времени, что оказывается весьма важным как для разработчиков, так и для эксплуатационников. Текущая информация по всем FRAM-приборам, отражающая все актуальные изменения в последних версиях, доступна на сайте Ramtron. В разделе Errata Sheets доступны так-же спецификации по отклонениям параметров приборов сигнальных производственных партий и опытных образцов. Все приборы ступны в виде свободных образцов, заказ которых также возможен на сайте изготовителя.

Дополнительная информация:
www.ramtron.com.