2018-12-17 23:35:26
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FRAM铁电存储器被认为是未来存储器发展方向之一，采用铁电质膜用作电容器来存储数据。FRAM具有ROM（只读存储器）和RAM（随机存取器）的特点，在高速读写入、高读写耐久性、低功耗和防窜改方面具有优势。

FRAM铁电存储器被认为是未来存储器发展方向之一，下面我们来看一下什么是铁电存储以及技术原理。

什么是铁电存储

FRAM（铁电随机存取存储器Ferroelectric RAM），也称为FeRAM。这种存储器采用铁电质膜用作电容器来存储数据。FRAM具有ROM（只读存储器）和RAM（随机存取器）的特点，在高速读写入、高读写耐久性、低功耗和防窜改方面具有优势。

FRAM与工业标准EEPROM完全兼容；性能比EEPROM更加突出；读写次数超过1万亿次（5V）、无限次（3.3V），写速度快，没有写等待，按字节操作；操作更省电，写入功耗仅为EEPROM的1/20。

相对于其它类型的半导体技术而言，铁电存储器具有一些独一无二的特性。传统的主流半导体存储器可以分为两类--易失性和非易失性。易失性的存储器包括静态存储器SRAM（static random access memory)和动态存储器DRAM （dynamic random access memory)。 SRAM和DRAM在掉电的时候均会失去保存的数据。

RAM 类型的存储器易于使用、性能好，可是它们同样会在掉电的情况下会失去所保存的数据。

非易失性存储器在掉电的情况下并不会丢失所存储的数据。然而所有的主流的非易失性存储器均源自于只读存储器（ROM）技术。正如你所猜想的一样，被称为只读存

储器的东西肯定不容易进行写入操作，而事实上是根本不能写入。所有由ROM技术研发出的存储器则都具有写入信息困难的特点。这些技术包括有EPROM (几乎已经废

止）、EEPROM和Flash。这些存储器不仅写入速度慢，而且只能有限次的擦写，写入时功耗大。

铁电存储器能兼容RAM的一切功能，并且和ROM技术一样，是一种非易失性的存储器。铁电存储器综合了两种技术的特点--一种非易失性的RAM。

FRAM铁电存储器工作原理

FeRAM使用了一层有铁电性的材料，取代原有的介电质，使得它也拥有非挥发性内存的功能。它以铁电物质为原材料，将微小的铁电晶体集成进电容内，通过施加电场

，铁电晶体的电极在两个稳定的状态之间转换，实现数据的写入与读取。每个方向都是稳定的，即使在电场撤除后仍然保持不变，因此能将数据保存在存储扇区而无

需定期更新。FeRAM的写入次数可以高达1014次和10年的数据保存能力。在重写某个存储单元之前，FeRAM不必擦拭整个扇区，因此数据读写速度也略胜一筹。此外，

FeRAM的低工作电压能够降低功耗，这对移动设备来讲是很重要的。

下面的图表解释了PZT晶体结构，这种结构通常用作典型的铁电质材料。在点阵中具有锆和钛，作为两个稳定点。它们可以根据外部电场在两个点之间移动。一旦位置设定，即使在出现电场，它也将不会再有任何移动。顶部和底部的电极安排了一个电容器。那么，电容器划分了底部电极电压和极化，超越了磁滞回线。数据以“1”或“0”的形式存储。

PZT晶体结构和FRAM工作原理（图片来源富士通）

铁电存储器FRAM工作原理

铁电存储器PZT晶体结构及实现原理

FRAM原理及结构图

  1. 当加置电场时就会产生极化。（锆/钛离子在晶体中向上或向下移动）
  2. 即使在不加置电场的情况下，也能保持电极。
  3. 两个稳定的状态以“0”或“1”的形式存储。

FRAM的优点总结

与传统存储器相比，FRAM具有下列优势：

非易失性

  • 即使没有上电，也可以保存所存储的信息。
  • 与SRAM相比，无需后备电池（环保产品）

更高速度写入

  • 像SRAM一样，可覆盖写入 

    不要求改写命令

  • 对于擦/写操作，无等待时间 

    写入循环时间 =读取循环时间 

    写入时间： E2PROM的1/30,000

具有更高的读写耐久性

  • 确保最大1012次循环（100万亿循环）/位的耐久力 

    耐久性：超过100万次的 E2PROM

具有更低的功耗

  • 不要求采用充电泵电路 

    功耗：低于1/400的E2PROM

FRAM与其他类型的存储器对比

（以下资料来源富士通网站）

FRAM与各种存储器技术的对比图

上图数据来源：富士通

 

与SRAM相比

独立的FRAM存储器，因为具有Pseudo-SRAM I/F，因此与SRAM之间具有的高度兼容性。利用FRAM取代SRAM，您可以获得的优势如下：

1. 总的成本缩减

采用SRAM，你需要检测其电池状态。但是FRAM却让你免去了进行电池检测的困扰。而且，FRAM不需要电池槽、防倒流二极管和更多的空间，而这些都是SRAM所需的。FRAM的单芯片解决方案可以节省空间和成本。

  • 维护自由；无需更换电池
  • 缩小的器件尺寸；可以省去大量的器件

2.环保型产品（减少了环境负担）

用过的电池成为工业废料。在生产过程中，与SRAM相比，FRAM能够降低一半的CO2排放量。FRAM对于环保有益。

  • 无废弃电池
  • 降低工业负荷，实现环保

与E2PROM/闪存相比

与传统的非易失性存储器，如E2PROM和闪存相比，FRAM具有更快的写入、更高耐久力和更低功耗等优势。用FRAM取代E2PROM和闪存还具有更多优势，具体如下：

1. 性能提升

FRAM的高速写入能够在电源中断的瞬间备份数据。不仅如此，与E2PROM和闪存相比，FRAM能够更频繁的记录数据。当写入数据时，E2PROM和闪存需要高压，因此，消费的功率比FRAM更多。如果嵌入FRAM，那么电池供电器件中的电池的寿命将更长。 

总之，FRAM具有下列优势：

  • 能够在电源中断的瞬间备份数据
  • 能够进行频繁的数据记录
  • 能够保证更长的电池寿命

2. 总的成本缩减

在为每个产品写入出厂参数时，与E2PROM 和闪存相比，FRAM可以缩减写入时间。而且，FRAM可以为您提供一种芯片解决方案，避免采用几个存储器来保存数据，而E2PROM却不能实现。因此，利用FRAM可以降低总成本！

  • 当写入出厂参数时，缩短了写入时间
  • 减掉了产品上很多的部件

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