Микросхемы памяти FRAM для современных электронных средств

Введение

Потребление электроэнергии во всем
мире непрерывно растет. В связи с этим повышается спрос на новаторские решения для
измерения энергии и рационального управления энергопотреблением. Современные
инженерные решения в области микроэлектроники требуют производительных, надежных и экономных по питанию электронных
компонентов. Компания Ramtron предлагает
микросхемы сегнетоэлектрической памяти
FRAM (Ferroelectric RAM).

FRAM представляет собой запоминающее
устройство, которое по своему строениюэлектрика вместо диэлектрического слоя для
обеспечения энергонезависимости. Это отличная альтернатива технологиям энергонезависимой памяти, с такой же функциональностью, как у Flash-памяти.

Микросхемы FRAM-памяти с успехом заменяют память EEPROM, Flash или SRAM.
Основные свойства FRAM таковы, что с ее
внедрением удается заметно повысить эффективность и надежность работы системы
в целом, а энергопотребление снизить до минимально возможного уровня, согласно современным стандартам энергосбережения.

Главные преимущества FRAM по сравнению с другими типами памяти:

• Отсутствие задержки в цикле записи:
  чтение и запись происходит на скорости
  шины обмена данными.
• Микросхемы FRAM совместимы по выводам с микросхемами памяти других
  типов. Можно легко заменить микросхемы EEPROM, Flash или SRAM на FRAM,
  а также заменить одним модулем FRAM
  комбинацию устройств ОЗУ-ПЗУ.
• Энергонезависимый длительный срок хранения информации (>10 лет).
• Промышленный рабочий диапазон температур: –40…+85 °C.
• Низкое энергопотребление при чтении
  и записи — около 15 мА (в режиме ожидания — не более 15 мкА).
• Допустимое число циклов перезаписи
  (до 10¹⁶) позволяет производить запись
  по каждому адресу с частотой миллион раз
  в секунду в течение нескольких сотен лет без
  ухудшения технических характеристик.

Сегнетоэлектрическая память компании
Ramtron идеально подойдет для применения
в приборах, которые требуют высокого быстродействия, надежной работы и возможности хранения данных при отсутствии внешнего источника питания.

До недавнего времени основным недостатком микросхем FRAM-памяти считалась
сравнительно низкая плотность размещения
данных и в связи с этим ограниченная емкость этих микросхем. Но в последние пару
лет компании Ramtron удалось повысить значение емкости своих микросхем до уровня
8 Мбит, и это далеко еще не предел возможностей производителя. Развитие номенклатуры выпускаемых изделий продолжается,
в связи с чем потребители ожидают появления в скором будущем более мощных новых
устройств от компании Ramtron.

В таблицах 1 и 2 представлен перечень выпускаемых на сегодня компанией Ramtron
микросхем FRAM-памяти и их основные технические параметры.

Таблица 1. Микросхемы FRAM-памяти
c последовательным интерфейсом

Таблица 2. Микросхемы FRAM-памяти
с параллельным интерфейсом

Микросхемы марки V-Family

На рис. 1 показана одна из новых микросхем марки V-Family — FM25V10 (1 Мбит
SPI FRAM). Изделия этой марки выделяются
своей повышенной скоростью работы, а также пониженным энергопотреблением.

Рис. 1. Микросхема марки V-Family в корпусе SOIC-8

Микросхемы V-Family в активном режиме
потребляют ток меньше 150 мкA, в режиме
ожидания <90 мкA, а в спящем режиме — <5 мкA. Они поддерживают функцию быстрого доступа (NoDelay) и характеризуются
практически неограниченным числом циклов чтения/записи.

Эти микросхемы выпускаются в стандартных корпусах SOIC, TSOP или DFN.
Они успешно заменяют микросхемы Flash-и EEPROM-памяти с последовательным
интерфейсом емкостью 512 кбит и 1 Mбит
и находят применение в системах промышленной автоматизации, измерительных, медицинских, военных, игровых и компьютерных приложениях и т. д.

Микросхема FM23MLD16 (8 Мбит)

Одна из последних разработок компании
Ramtron — микросхема FM23MLD16 (рис. 2),
которая представляет собой FRAM с параллельным интерфейсом и объемом 8 Мбит
(1 Мбайт).

Рис. 2. Микросхема FM23MLD16

Новая микросхема является альтернативой
SRAM-памяти (в конфигурации 512 К×16)
и отлично подходит для таких приложений,
как робототехника, RAID-контроллеры, многофункциональные принтеры, автомобильные навигационные системы и др., так как
не требует батарейного питания для хранения данных.

Основные параметры:

• Объем памяти: 8 Мбит (512 К×16 или 1 М×8).
• Число циклов перезаписи: 10¹⁴.
• Напряжение питания: 2,7–3,6 В.
• Время доступа к памяти: 60 нс.
• Параллельный интерфейс.
• Монитор низкого уровня питания для защиты данных.
• Ток потребления: в рабочем режиме 14 мА,
  в режиме ожидания — не более 540 мкА.
• Рабочий диапазон температур: –40…+85 °C.
• Корпус: FBGA-48.

FRAM в современных
бытовых счетчиках

Современные интеллектуальные счетчики работают с двухсторонней связью, позволяя потребителям в режиме реального времени наблюдать и оценивать стоимость потраченной энергии. Счетчик поможет быстро
провести оценку сэкономленной энергии при
выключении ненужных электроприборов или
понижении обогрева терморегулятором.

Система дистанционного съема данных
(AMR) позволяет собирать информацию
об энергопотреблении и передавать ее посредством различных коммуникаций, к которым относятся телефония, радиосвязь,
спутниковые коммуникации и передача
данных по электросети. Полученные данные
позволяют рационально управлять эффективностью работы устройств и улучшить их
эксплуатационные возможности. Например,
эффективные коммунальные предприятия
поощряют низкое потребление энергии
в часы пик с помощью гибкой тарифной сетки, а также снижения цены на потребляемую
энергию в более «тихие» часы.

Сегодня разработчики бытовых счетчиков
и систем сбора данных сталкиваются с комплексными задачами, при этом растет потребность в управлении сложными системами распределения. FRAM компании Ramtron является идеальной энергонезависимой памятью
для современных измерительных приборов,
которые требуют надежной работы, быстродействия и возможности хранения данных
при отсутствии внешнего источника питания.
Использование этого типа памяти в системах
сбора данных потребления воды, газа и электричества дает следующие преимущества:

• Быстродействие. Позволяет обойтись без
  канала отложенных записей, которые требуются при отключении питания.
• Практически неограниченное число циклов перезаписи (до 1016 циклов). FRAM
  сохраняет отличную работоспособность
  по сравнению с другими технологиями,
  которые быстро изнашиваются после
  100 000 циклов перезаписи.
• Работа в режиме низкой мощности. Работа
  без постоянной батарейной поддержки, которая требуется памяти типа SRAM.

По сравнению с памятью типа EEPROM,
которая при чтении разбивается на страницы, чтение и запись у FRAM происходит
со скоростью шины и занимает не более
70 нс. Такая скоростная работа необходима
в первую очередь при внезапном отключении питания. Счетчики с EEPROM дают погрешность при аварийной записи данных.
Накопление таких погрешностей в результате ведет к серьезным финансовым потерям
коммунального предприятия.

Дешевые простые счетчики широко распространены в развивающихся странах.
Здесь работает периодический принцип
оплаты, то есть данные снимаются регулярно вручную, и потребитель платит по факту
потраченной электроэнергии (воды, газа).
Память типа FRAM здесь также идеально подойдет для хранения основных данных: это
идентификация счетчика, остаток по кредиту
потребителя, текущие данные.

FRAM в бесконтактных
платежных системах

Бесконтактные смарт-карты широко
распространены по всему миру, наиболее
они популярны в азиатских странах. Главные
преимущества такой системы оплаты —
удобство и скорость работы. Имея смарткарту, не нужно компостировать билет или
проводить карточку через считыватель.
В системах, где используется метод радиочастотной идентификации (RFID), контакт
со смарт-картой происходит, когда она находится в сумке пользователя. В связи с этим
авторизация в общественном транспорте
происходит заметно чаще, чем при устаревших способах оплаты.

Кроме того, бесконтактный способ расчетов имеет еще одно важное преимущество
перед оплатой наличными. Это высокая производительность, в результате чего отпадает
потребность в дополнительном персонале
и отсутствует такое понятие, как очередь.
Исследования показали, что применение бесконтактных платежных карт может уменьшить время транзакции на 64% по сравнению с другими видами платежа.

В данном случае FRAM является подходящим решением для бесконтактных систем
оплаты. Благодаря своей долговечности
и энергонезависимости, такой тип памяти
не нуждается в поддержке и повышает уровень надежности всей системы, поэтому отлично подходит для необслуживаемых терминалов (торговые автоматы, платежные
стенды, парковочные счетчики и др.).

Очень важным параметром для RFID-технологии является низкое потребление микросхем FRAM. В процессе работы этой системы излучаемая в поле энергия уменьшается с увеличением расстояния. Бесконтактная
карточка (или брелок) должна попасть в область поля, чтобы индуцировать достаточно энергии для передачи записанного кода.
Применение FRAM вместо других типов памяти способствует повышению дальности
действия поля и снижению времени реакции
в нем. Потребление этих микросхем в рабочем режиме не превышает 15 мА, а в спящем
режиме — не более 15 мкА.

FRAM в игровых автоматах

Для привлечения внимания игроков казино к аркадным играм и игровым автоматам требуются очень надежные компьютеры
с наилучшим качеством изображения дисплея и профессиональными мультимедиаэффектами. Также применяются устройства
с сенсорным управлением, которые часто
можно встретить у большинства игровых автоматов в барах, казино и парках отдыха. Для
наиболее зрелищных автоматов требуется
максимально надежное оборудование.

Основной проектируемой электронной составляющей игровых казино-автоматов является однослотовый Single Board Computer
(SBC), который должен иметь компактные
габариты и низкое потребление энергии.
Микросхемы FRAM-памяти с параллельным
интерфейсом идеально подойдут для SBC
благодаря своей миниатюрности и низкому
энергопотреблению.

Для надежного хранения данных при использовании SRAM-памяти дополнительно
требуется элемент питания. Если SBC приходится запрашивать группы блоков SRAM-памяти, то для каждой такой группы требуется отдельная батарейка. Энергонезависимая
FRAM не нуждается в дополнительном питании, и за счет этого удается сократить стоимость системы и повысить ее надежность.

FRAM также идеально подойдет для работы со стандартом кодирования данных (DES)
в качестве устройства хранения уникальных
и пользовательских кодов, а также недоступных кодов, таких как RSA, SHA-1 или MD-5.

Компания Ramtron для использования
в игровой индустрии также предлагает микросхемы семейства Processor Companion с FRAM-памятью и часами реального времени/календаря (RTC = Real-Time Clock) на борту. С их
помощью можно осуществлять контроль
азарта (gambling control), который требуется
в современных игровых казино-автоматах.
Такой контроль нужен для сдерживания игровой зависимости. Вот несколько инструментов для осуществления такой функции в популярных игровых видеоавтоматах:

• Постоянный показ текущего времени
  на экране.
• Всплывающие уведомления о проведенном времени за текущей игрой.
• Обязательный периодический показ остатка денег для игры.
• Обязательный выбор продолжительности
  игры перед ее началом.
• Ограничение максимального размера
  ставки.

Одна из микросхем этого семейства —
FM3135. Большой ресурс и высокая скорость
записи FRAM-памяти в сочетании с RTC делает
применение этой микросхемы очень привлекательным в системах, требующих привязки
событий ко времени их возникновения. Блок
RTC микросхемы FM3135 включает в себя выходы программируемой частоты и сигнала будильника. Будильник сравнивает устанавливаемое пользователем время выдачи сигнала с текущим значением времени RTC. Для доступа
к памяти и управления RTC в микросхеме используется промышленный стандартный двухпроводный интерфейс. Выпускается FM3135
в 20‑выводном корпусе SOIC. Микросхема
работает в диапазоне питающих напряжений
от 2,7 до 3,6 В во всем промышленном диапазоне температур (–40…+85 °C).

Семейство Processor Companion подходит
для очень широкого спектра применений.
С учетом ключевых преимуществ FRAM —
малые габариты, однокристальное сочетание общесистемных функций и невысокая
стоимость — областями его наиболее эффективного применения являются игровые
автоматы, носимые или удаленные сетевые
терминалы сбора данных, регистраторы, расходомеры, весы-дозаторы, счетчики электроэнергии и другие приборы, общие свойства
которых — критичное отношение к энергопотреблению, габаритам, удельной стоимости и надежности работы.

Заключение

Применение FRAM-памяти в различных
электронных устройствах предоставляет много преимуществ, которые являются следствием особенностей самой памяти, обеспечивающей большую скорость и надежность работы,
огромное количество циклов перезаписи, а также возможность использования FRAM в качестве ПЗУ, ОЗУ или комбинации ОЗУ-ПЗУ.