Ferrosähköinen RAM-muisti eli FRAM yhdistää sekä RAM-muistin että haihtumattoman muistin hyödyt. Kyse on nopeasti kirjoittavasta, kestävästä ja vähävirtaisesta haihtumattomasta muistista, joka käyttää ferrosähköisyyttä datan tallentamiseen. Tämä tekee siitä sopivan luotettavaan datan tallennukseen, kun käytössä ei ole jatkuvaa virransyöttöä.

Puolijohdemuistiteknologiat jaetaan kahteen luokkaan:

1. Haihtuva muisti menettää datan, kun virta katkaistaan. Tyypillisesti luku- ja kirjoitusajat ovat symmetrisiä (Random Access Memory eli RAM).
2. Haihtumaton muisti säilyttää datansa, kun virta katkaistaan. Alun perin kyse oli vain luettavista muisteista (Read Only Memory eli ROM) ennen uudelleenohjelmoitavan varaustallennuksen teknologiaa.

Varauksen tallentamiseen perustuva tekniikka tuotti sähköisesti pyyhittäviä muisteja kuten Flashin ja EEPROMin. Nämä mahdollistavat järjestelmänsisäisen ohjelmoinnin, kun luku- ja kirjoitusajat poikkeavat a toisistaan. Itse asiassa kirjoitusajat voivat olla useita kertaluokkia nopeampia kuin lukuajat.

Lisäksi täydellinen haihtumaton muisti täyttäisi nämä vaatimukset:

1.Luotettava tallennus virtakatkoksessa

• Ei tarvita erillistä aktiivista sähkönsyöttöä datantallennuksen valmistumiseen. Tämä tarkoittaa, ettei muisti tarvitse lisäkondensaattoreista tai paristoja.
• Ulkoinen säteily tai magneettikentät eivät vaikuta muistiin.

2. Ei rajoituksia tallennussyklien määrälle

• Kirjoitussyklien määrä on suurempi kuin mitä järjestelmän elinkaari vaatii. Tämä tarkoittaa, että muistissa ei tarvita kulumisen kompensointia tai lisäohjelmistoja kirjoituskestävyyden parantamiseksi.

3. Tehonkulutus

• Energiatehokkuuden ansiosta voidaan minimoida järjestelmän tehonkulutus.

Ferrosähköinen RAM-muisti eli FRAM on aito haihtumaton RAM-muisti, koska se yhdistää sekä RAM-muistin että haihtumattoman muistin hyödyt. Kyse on nopeasti kirjoittavasta, kestävästä ja vähävirtaisesta haihtumattomasta muistista, joka käyttää ferrosähköisyyttä datan tallentamiseen. Tämä tekee siitä sopivan luotettavaan datan tallennukseen, kun käytössä ei ole jatkuvaa virransyöttöä.

Ferrosähköisyys

Ferrosähköisyys on ilmiö, joka tavataan materiaalien luokassa, johon kuuluu esimerkiksi PZT-ohutkalvo (lyijy-zirkonaatti-titanaatti). PZT on nanokiteinen perovskiitti, joka on esitetty kuvassa 1. Keskellä olevassa kationissa on kaksi samanarvoista, vakaata energiatilaa. Nämä tilat määrittelevät kationin aseman. Mikäli kationiin suunnataan sähkökenttä sopivasta suunnasta, se liikkuu kentän suuntaan.

Kuva 1. Ferrosähköinen PZT-perovskiittikide.

Sähkökentän kohdistaminen kiteeseen saa alhaisen energian tilan asettumaan kentän suuntaisesti, ja korkean energian tilan vastakkaiseen asentoon. Sähkökenttä saa siten kationin siirtymään korkean energian tilasta alhaiseen tilaan. Tämä siirtymä tuottaa energiaa varauksen muodossa, johon yleisesti viitataan kytkentävarauksena (Qs).

Yleinen virhekäsitys on, että ferrosähköiset kiteet ovat ferromagneettisia tai että niillä on vastaavia ominaisuuksia. Termi ferrosähköinen viittaa samankaltaisuuteen varauskäyrässä, joka nähdään ferromagneettisten materiaalien hystereesisilmukan jännitteen funktiona, kuten kuvasta 2 näkyy. Ferrosähköiset materiaalit kytkeytyvät sähkökentässä, eivätkä magneettikentät vaikuta niihin.

Kuva 2. Ferrosähköinen hystereesisilmukka.

Ferrosähköisellä materiaalilla on kaksi tilaa: kationi ylhäällä, johon viitataan up-polarisaatiolla ja kationi pohjalla, johon viitataan down-polarisaatiolla, kuten kuvasta 3 näkyy. Tämän ansiosta voidaan toteuttaa binäärimuisti, kun käytössä on käyttökelpoinen havaitsemisjärjestelmä.

Kuva 3. Kaksi polarisaatiotilaa.

FRAM-operaatio

Tallennuksen peruselementti on ferrosähköinen kondensaattori. Se voidaan polarisoida ”ylös” tai ”alas” suuntaamalla sähkökenttä kuvan 4 tapaan.

Kuva 4. Ferrosähköisen kondensaattorin polarisaatio.

Ferrosähköinen kondensaattorisymboli indikoi, että kapasitanssi on vaihtuva, eikä kyse ole perinteisestä lineaarisesta kondensaattorista. Jos ferrosähköinen kondensaattori ei kytkeydy, kun siihen kohdistetaan sähkövirta (polarisaatio ei muutu), se käyttäytyy kuin lineaarinen kondensaattori. Jos se kytkeytyy, syntyvä lisävaraus tarkoittaa, että kapasitanssi kasvaa. Ferrosähköinen kondensaattori yhdistetään valintatransistoriin, bittilinjaan ja levylinjaan muistisolun muodostamiseksi, kuten kuvasta 5 näkyy.

Kuva 5. FRAM-muistisolu.

Lukuoperaatio

Kuva 6.A näyttää solun staattisen tilan, jossa bittilinja, levylinja ja sanalinja ovat alhaisia. Luku alkaa suuntaamalla jännite sanalinjaan ja levylinjaan, mikä näkyy kuvassa 6.B. Tämä tuottaa kentän yli ferrosähköisen kondensaattorin, mikä johtaa kondensaattorin kytkeytymiseen. Kytkeytyminen näkyy kuvassa 6.C. Aikaansaatu varaus (Qs) jaetaan parasiittisella bittilinjan kapasitanssilla (Cbit) ja kytketyllä ferrosähköisellä kondensaattorilla (Cs). Bittilinjan jännite riippuu siksi kapasitanssien suhteesta Cs/Cbit (Cs sisältää vähän kapasitanssia transistorista ja liitännästä aiheutuvista parasiittisista ominaisuuksista.

Kuva 6. Muistisolun lukujakso.               

Mikäli kuvassa 6 esitetyssä jaksossa polarisaatio on up, kondensaattori ei kytkeydy eikä lisävarausta synny. Kytkettyyn kondensaattoriin aikaansaatu varaus on ainakin kaksi kertaa suurempi kuin kytkemättömän kondensaattorin (Qu) varaus.

Qs ≥ 2 × Qu

Tämän takia kytkentäkapasitanssi (Cs) on ainakin kaksi kertaa niin suuri kuin kytkemätön kapasitanssi (Cu).

Cs ≥ 2 × Cu

Tästä seuraa, että bittilinjan jännite on kytkettynä ainakin kaksi kertaa niin suuri kuin kytkemättömässä tilassa.

Jännitteen lukeminen on hyvin samanlainen kuin DRAM-muisteissa käytetyissä tekniikoissa. Bittilinjan jännitettä verrataan referenssijännitteeseen, joka on kytketyn ja kytkeytymättömän tilan jännitearvojen välissä. Mittausvahvistin ohjaa bittilinjan virtalinjaan ja sen tuotos on joko HIGH tai LOW (eli 1 tai 0). Luku tapahtuu alle 100 nanosekunnissa.

Luvun päättyessä bittilinjat asetetaan high-tilaan kytketyssä ja low-tilaan kytkeytymättömässä tapauksessa. Jakso täydentyy tuomalla levylinja alas, mikä palauttaa kytkettyjen kondensaattorien tilan ja sen jälkeen bittilinja varaus asetetaan 0 V:een. Tämä palautusaika on myös hyvin nopea (alle 100 ns). Lukujaksojen pituutta määrittävät lähinnä muistisolun kapasitanssit. Ferrosähköisen kondensaattorien kytkeminen tapahtuu lähes välittömästi, eikä kytkentämekanismi sen takia juuri vaikuta jakson kestoon.

DRAM- ja FRAM-muistin vertailu osoittaa, että lukuprosessi on samankaltainen, koska molemmissa mitataan varausta. DRAM-muistissa varaus on tallennettu lineaarikondensaattoriin, joka vuotaa ja vaatii virkistystä. FRAM-muistissa varaus tallennetaan tilana kiteeseen, minkä ansiosta se on haihtumaton eikä tarvitse virkistystä. DRAMin tapaan FRAMissa on jaksoaika, joten peräkkäisten satunnaisten osoitteiden hakujen välinen minimiaika on sama kuin jaksoaika (tyypillisesti 90-140 ns), ei hakuaika.

Kirjoitusoperaatio

Kirjoitusoperaatio on hyvin samanlainen kuin lukuoperaatio. Piiri suuntaa sähkökentän haluttuun suuntaan ferrosähköisessä kondensaattorissa.

FRAM-edut

Perinteiset kirjoitettavat haihtumattomat muistit, jotka ponnistavat varauksen tallentamisesta, käyttävät varauspumppua kehittääkseen suuren jännitteen piirillä (yleensä 10V tai enemmän) pakottaakseen varauksenkuljettajat hilaoksidin läpi. Siksi piirin kirjoitusviiveet ovat pitkät, se kuluttaa paljon tehoa ja kirjoitusoperaatio kuluttaa muistisolua. Kelluvaan hilaan perustuvissa laitteissa ei voida kirjoittaa yli 10⁶ kertaa. Vertailun vuoksi datantallennus EEPROM-muistilla 1 näytteen nopeudella sekunnissa kuluttaisi muistin alle 12 päivässä. Sen sijaan 3 voltin FRAM-piiri tarjoaa lähes rajoittamattoman määrän hakuja (10¹⁴).

FRAM on ylivoimainen varauksen tallentamiseen perustuviin muisteihin verrattuna sekä kirjoitusnopeudessa että tehonkulutuksessa.  Tyypillisessä sarjamuotoisessa EEPROM-muistissa 20 megahertsin kellotaajuudella veisi 5 millisekuntia kirjoittaa 256 bittiä (32 tavun sivupuskuri) ja 1283,6 millisekuntia kirjoittaa koko 64 kilotavua, mikä kuluttaa tehoa 3900 µJ. Vastaavalla FRAM-piirillä se veisi aikaa vain 14 mikrosekuntia (256 bittiä) ja vain 3,25 millisekuntia ja 17 mikrojoulea kirjoittaa 64 kilotavua.

Lisäksi FRAM ei vaadi vakautusaikaa (Soak time eli lisäaika sivun kirjoittamisen valmistumiseen sen jälkeen, kun data on haettu syöttöpuskureihin), minkä ansiosta vältetään ylimääräisten kondensaattorien tai paristojen tarve sivujen kirjoittamiseen virtakatkoksen aikana.

Edelleen FRAM-solut kestävät luontaisesti säteilyä, eivätkä magneettikentät korruptoi niitä. FARN-muistin hyödyt voidaan koota näin:

• Lukuaika = Kirjoitusaika < 100 ns
• Lukuenergia = Kirjoitusenergia < missään muussa haihtumattomassa muistissa
• Kirjoitussyklien määrä = 10¹⁴
• Ei vakautusaikaa = Ei ylimääräisiä kondensaattoreita tai paristoja
• Gamma-säteilyn kestävä, magneettikenttä ei korruptoi soluja

Sovellusalueet

1. Autoelektroniikka

FRAM-muisteja käytetään älykkäissä ilmatyynyissä, kuljettajaa avustavissa ADAS-järjestelmissä, navigointi- ja viihdejärjestelmissä, moottorin ECU-ohjausyksiköissä, tapahtuminen tallentimissa (EDR, Event Data Recorders) sekä voimalinjajärjestelmissä.

2. Mittaaminen

Älykkäät sähkömittarit mittaavat kulutetun sähköenergian määrää ja säännöllisin väliajoin lähettävät mittausdatainformaation sähköyhtiöön monitorointia ja laskutusta varten. Jokaisessa e-sähkömittarissa on haihtumaton muisti, johon kerätty data tallennetaan ennen kuin se lähetetään sähköyhtiöön. Tässä sovelluksessa käytetään FRAM-muistia, koska sen kestävyys mahdollistaa tiheän datankeruun, se kuluttaa vähän energiaa ja pystyy tallentamaan datan välittömästi virransyötön katketessa, mikä estää datan häviämisen.

3. Puettava elektroniikka

Puettava elektroniikka parantaa arjen laatua kulutuselektroniikan muodossa esimerkiksi älykelloina tai elämänlaatua parantavina lääketieteellisinä laitteita kuten kuulokojeina. Näissä yhä monimutkaisemmiksi käyvissä laitteissa tarvitaan vähävirtaista, korkean tason luotettavuutta tarjoavaa haihtumatonta muistia, joka toimii nopeasti ja kestää pitkään. FRAM täyttää nämä vaatimukset. Koska FRAM voi lisäksi toimia RAM- ja ROM-muistina, vain yksi muisti tarvitaan tallentamaan käynnistyskoodi ja laitteen keräämä data.

Cypressin FRAM-tuotevalikoima on alan energiatehokkain ja luotettavin.

• Cypressin FRAM-piirit kuluttavat noin 30 prosenttia siitä tehosta, mitä edistyneimmät EEPROM-muistit kuluttavat. Dataa niille voi kirjoittaa 100 miljoonaa kertaa enemmän.
• Cypressin FRAM-muistien tiheydet yltävät 4 kilobitistä 4 megabittiin 2,0-5,5 voltin käyttöjännitteillä.
• SPI- ja I2C-liitännöillä varustetut FRAM-piirit myydään SOIC8-, DFN8- ja  EIAJ-koteloituina.

Lisätietoja Cypressin FRAM-tekniikasta ja -tuotteista löytyy verkosta osoitteessa: http://www.cypress.com/products/f-ram-nonvolatile-ferroelectric-ram.