تكنولوجيا FRAM

عادة ما يتم تقسيم الذاكرة في وحدات التحكم الدقيقة الحديثة وفقًا للاعتماد على إمدادات الطاقة. تتضمن الذاكرة غير المتطايرة DRAM و SRAM ، والذاكرة غير المتطايرة هي EEPROM / Flash. هذا التقسيم موجود لأن أداء DRAM / SRAM أفضل بكثير مقارنة بالذاكرة غير المتطايرة. ولكن ماذا سيحدث إذا كانت هناك ذاكرة غير متطايرة ، وليست أقل من الذاكرة غير المتطايرة في سرعة القراءة / الكتابة واستهلاك الطاقة؟ اتضح أن مثل هذه التقنيات موجودة. أحد ممثلي هذه الفئة من الذاكرة هو تقنية FRAM أو FeRAM. أطلب تفاصيل تحت القط.

لذا ، فإن FeRAM أو الذاكرة العشوائية المغناطيسية ذات الوصول غير المتطاير هي نوع من الذاكرة يعتمد مبدأ تشغيله على تأثير التباطؤ في الكهرباء الحديدية. عندما يتم تطبيق مجال كهربائي على الخلية ، فإنه يغير الاستقطاب ، ويمر إلى جزء آخر من حلقة التباطؤ. ونتيجة لذلك ، من الممكن الحصول على حالتين يمكن تمييزهما بوضوح عن طريق الطاقة ، وهذا يكفي لإنشاء ذاكرة قائمة على مثل هذه الخلية. هذا موضح بشكل جيد من خلال صور GIF من موقع فوجيتسو - أحد المنتجين الرئيسيين لـ FRAM.


الشكل 1 مبدأ تشغيل FRAM:

لفهم المزايا التي يعطيها هذا على الأنواع التقليدية من الذاكرة ، من الضروري أيضًا تذكر المبادئ الأساسية لتشغيل أنواع أخرى من الذاكرة.

يعتمد مبدأ تشغيل الذاكرة الديناميكية (RAM) على قراءة وتغيير شحنة المكثف. إذا كان المكثف مشحونًا ، تكون الخلية في الحالة "1" ، إذا تم تفريغها ، تكون في الحالة "0". تمامًا مثل المظلة. لزيادة السرعة في خلايا الذاكرة ، يتم استخدام المكثفات الصغيرة ، والتي تتدفق شحنتها بسرعة نسبية. لذلك ، لضمان سلامة المعلومات ، يجب تجديد المعلومات. تستخدم ذاكرة الوصول العشوائي (DRAM) كذاكرة وصول عشوائي (RAM) على أجهزة الكمبيوتر الحديثة نظرًا لتكلفتها المنخفضة (مقارنة بـ SRAM) وسرعتها العالية (مقارنة بمحركات الأقراص).


التين .2 DRAM النموذجي

SRAM (ذاكرة الوصول العشوائي الثابتة) أكثر تعقيدًا بكثير من DRAM ، وبالتالي أكثر تكلفة بكثير. يعتمد مبدأ عملها على استخدام ترانزستورات CMOS. عند الجمع بين العديد من الترانزستورات ، يمكنك الحصول على مشغل - خلية تحفظ حالة منطقية معينة. لهذا النوع من الذاكرة ، ليست هناك حاجة لتجديد الحالة ، ولكن مع ذلك ، في غياب الطاقة ، يتم فقدان البيانات ، أي الذاكرة لا تزال متقلبة. هذا النوع من الذاكرة أسرع من DRAM. نظرًا لأن هذه الذاكرة أغلى بكثير من ذاكرة الوصول العشوائي الديناميكية (DRAM) ، يتم استخدامها حيث يلزم وقت استجابة قصير جدًا - في ذاكرة التخزين المؤقت للمعالج.


التين .3 خلية SRAM سداسية الترانزستور

تعتمد الفلاش الحديث و EEPROM على استخدام الترانزستورات مع ما يسمى بالبوابة العائمة. يتم حقن الإلكترونات في "جيب" بنية أشباه الموصلات ، ويمكن الكشف عن وجودها / غيابها خارجيًا. هذه خاصية تسمح باستخدام هياكل مثل الذاكرة. تتسرب الشحنة من الجيب ، ولكنها تحدث ببطء إلى حد ما (~ 10-20 سنة) ، مما يسمح باستخدام EEPROM / Flash كذاكرة غير متطايرة. يستخدم الفلاش لتخزين كود البرنامج في أجهزة التحكم الدقيقة ، وكذلك في بطاقات الذاكرة.


شكل 4 ترانزستور ذو بوابة عائمة

لماذا FRAM أفضل من هذه الأنواع من الذاكرة؟

الميزة الرئيسية لـ FRAM عبر SRAM هي عدم التطاير. عندما يتم قطع الطاقة عن شريحة الذاكرة ، فإنها تحتفظ بحالتها السابقة. في نفس الوقت ، أداء هذه الأنواع من الذاكرة يمكن مقارنته ببعضها البعض - تستغرق دورة الكتابة على FRAM 150 نانو ثانية مقابل 55 نانو ثانية في SRAM وفقًا لموقع Fujitsu . ولكن لدى FRAM عدد محدود (وإن كان ضخمًا - 10 ^ 13) من دورات إعادة الكتابة ، في حين أن SRAM ليس لديها مثل هذه القيود. DRAM يفقد الكثير من FRAM من حيث استهلاك الطاقة بسبب الحاجة إلى تجديد البيانات. لذلك ، لا يتم استخدام DRAM في الأجهزة الحساسة للطاقة.

ومع ذلك ، على الرغم من أن FRAM يمكن مقارنته بخصائص SRAM ، إلا أن الإمكانات الرئيسية للتطبيق مرتبطة بمزايا كبيرة على ذاكرة الفلاش. بادئ ذي بدء ، إنه أداء ضخم. من نفس الرابط إلى موقع فوجيتسو ، يبلغ وقت دورة التسجيل على الفلاش حوالي 10 ميكروثانية. هنا يجب أن نذكر خصوصية استخدام ذاكرة الفلاش - تتم الكتابة والمسح فيها في كتل كبيرة بما فيه الكفاية. لذلك ، فإن الكتابة فوق بايت واحد في الفلاش هي متعة باهظة الثمن في الوقت وفي استهلاك الطاقة - تحتاج إلى حفظ كتلة البيانات في مكان ما ، وتغيير البايت فيها ، ومسح القسم المقابل من الكتلة بالكامل واستبدال البيانات المحدثة فيه. هنا ، بالمناسبة ، هناك ميزة أخرى لـ FRAM هي ذاكرة الوصول العشوائي ، مما يعني أنه يمكنك تغيير البتات الفردية فيها دون لمس الأجزاء المجاورة.ولكن حتى عند كتابة كتل كبيرة من بيانات FRAM ، فهي مرتبة من حيث الحجم بشكل أسرع. لذا ، في وحدات تحكم Texas Instrument ، تستغرق كتابة كتلة 13 كيلو بايت 10 مللي ثانية في FRAM مقابل ثانية واحدة في Flash (إثبات ). عيب آخر في Flash هو العدد المحدود للغاية لدورات إعادة الكتابة - بترتيب 10 ^ 5.

عندما اكتشفت كل هذه الخصائص ، كان لدي سؤال واحد - لماذا لا يزال FRAM لم يقتل Flash؟ في الواقع ، جميع خصائص FRAM هي أوامر من حيث الحجم أفضل من خصائص الفلاش. هنا ظهرت العيوب الرئيسية لذاكرة الوصول العشوائي المغناطيسية. بادئ ذي بدء ، هذه كثافة منخفضة من المعلومات بسبب طبيعة التكنولوجيا. هناك عيب آخر يتبع هذا العيب - لا يمكن جعل سعة محركات FRAM كبيرة بما يكفي. تقدم فوجيتسو دوائر ذاكرة تصل إلى 4 ميجابت في الثانية ، والتي لا يمكن مقارنتها بمحركات أقراص فلاش متعددة. عيب آخر هو التكلفة العالية للذاكرة. اليوم ، تمتلك FRAM حصة صغيرة جدًا من سوق أجهزة أشباه الموصلات.

ما هي التطبيقات المثلى للذاكرة مثل FRAM؟ جيد بما فيه الكفاية FRAM في وحدات التحكم الدقيقة بالاشتراك مع كمية صغيرة من SRAM. في الواقع ، هذا هو التطبيق الذي جذبني لهذا النوع من الذاكرة. على سبيل المثال ، أصدرت شركة Texas Instruments خطًا من وحدات التحكم الدقيقة FRAM مع فقدان Flash / EEPROM تمامًا. الرمز الموجود فيها مكتوب في مقطع FRAM ، ويمكن الوصول إلى البيانات الموجودة في نفس FRAM بنفس طريقة ذاكرة RAM العادية. مثل هذا التطبيق مناسب حيث يوجد قدر كبير من البيانات التي يمكن استبدالها في كثير من الأحيان. على سبيل المثال ، جهاز تسجيل محمول مهم لاستهلاك الطاقة. يمكنك تسجيل البيانات في FRAM لفترة معينة ، ثم تحليل البيانات وإرسالها حول متوسط ​​القيم لاسلكيًا على سبيل المثال.ذاكرة فلاش غير ملائمة مع هذا الاستخدام - سوف تستنزف البطارية بسرعة ، وبسبب دورات التسجيل المحدودة ، بعد مرور بعض الوقت ، قد تظهر مشاكل مع خلايا الذاكرة التالفة. وبالتالي ، فإن FRAM مفيد للتطبيقات منخفضة الطاقة مع حجم كبير نسبيًا وترددًا عاليًا للكتابة على الذاكرة غير المتطايرة. بشكل عام ، يشير TI على موقعه على الويب إلى أي المجالات في رأيهم هي مثل هذه الذاكرة الأكثر ملاءمة.

آمل أن أكون قد وجهت انتباهكم إلى هذه التقنية المثيرة للاهتمام وغير العادية ، والتي ، للأسف ، لا توجد معلومات عمليًا عن Habré / Gytims.

Source: https://habr.com/ru/post/ar390389/