FRAM-Technologie

Der Speicher in modernen Mikrocontrollern wird normalerweise nach der Abhängigkeit von der Energieversorgung aufgeteilt. Der nichtflüchtige Speicher umfasst DRAM und SRAM, und der nichtflüchtige Speicher ist EEPROM / Flash. Diese Unterteilung besteht, weil DRAM / SRAM im Vergleich zu nichtflüchtigem Speicher eine viel bessere Leistung aufweist. Aber was würde passieren, wenn es einen nichtflüchtigen Speicher gäbe, der dem nichtflüchtigen Speicher in Bezug auf Lese- / Schreibgeschwindigkeit und Stromverbrauch nicht unterlegen wäre? Es stellt sich heraus, dass solche Technologien existieren. Einer der Vertreter dieser Speicherklasse ist die FRAM- oder FeRAM-Technologie. Ich frage nach Details unter Katze.

FeRAM oder Ferromagnetic Random Access Non-Volatile Memory ist also ein Speichertyp, dessen Funktionsprinzip auf dem Hystereseeffekt in einem Ferroelektrikum basiert. Wenn ein elektrisches Feld an die Zelle angelegt wird, ändert es ihre Polarisation und gelangt zu einem anderen Teil der Hystereseschleife. Aufgrund dessen ist es möglich, zwei Zustände zu erhalten, die durch Energie gut unterscheidbar sind, und dies reicht aus, um einen Speicher basierend auf einer solchen Zelle zu erzeugen. Dies wird durch GIFs vom Standort Fujitsu - einem der Hauptproduzenten von FRAM - gut veranschaulicht.


Abb. 1 Funktionsprinzip des FRAM

Um zu verstehen, welche Vorteile dies gegenüber klassischen Speichertypen bietet, müssen auch die Grundprinzipien des Betriebs anderer Speichertypen in Erinnerung gerufen werden.

Das Funktionsprinzip des DRAM (Dynamic RAM) basiert auf dem Lesen und Ändern der Ladung des Kondensators. Wenn der Kondensator geladen ist, befindet sich die Zelle im Zustand "1", wenn sie entladen ist, befindet sie sich im Zustand "0". Genau wie ein Regenschirm. Um die Geschwindigkeit in Speicherzellen zu erhöhen, werden kleine Kondensatoren verwendet, deren Ladung relativ schnell fließt. Um die Sicherheit von Informationen zu gewährleisten, müssen Informationen daher neu generiert werden. DRAM wird auf modernen Computern aufgrund seiner geringen Kosten (im Vergleich zu SRAM) und hohen Geschwindigkeit (im Vergleich zu Festplatten) als RAM verwendet.


Abb. 2 Typischer DRAM

SRAM (Static RAM) ist viel komplexer als DRAM und daher viel teurer. Sein Funktionsprinzip basiert auf der Verwendung von CMOS-Transistoren. Wenn Sie mehrere Transistoren kombinieren, erhalten Sie einen Trigger - eine Zelle, die einen bestimmten logischen Zustand speichert. Für diese Art von Speicher besteht keine Notwendigkeit für eine Zustandsregeneration, aber dennoch gehen Daten verloren, d.h. Speicher bleibt flüchtig. Diese Art von Speicher ist schneller als DRAM. Da ein solcher Speicher viel teurer als DRAM ist, wird er dort eingesetzt, wo eine sehr kurze Antwortzeit erforderlich ist - im Prozessor-Cache.


Fig. 3 Sechs-Transistor-SRAM-Zelle

Modernes Flash und EEPROM basieren auf der Verwendung von Transistoren mit dem sogenannten Floating Gate. Elektronen werden in die "Tasche" der Halbleiterstruktur injiziert und ihre Anwesenheit / Abwesenheit kann extern erfasst werden. Dies ist eine Eigenschaft, die die Verwendung von Strukturen wie Speicher ermöglicht. Die Ladung tritt aus der Tasche aus, geschieht jedoch ziemlich langsam (~ 10-20 Jahre), was die Verwendung von EEPROM / Flash als nichtflüchtigen Speicher ermöglicht. Flash wird zum Speichern von Programmcode in Mikrocontroller-Geräten sowie auf Speicherkarten verwendet.


Abb.4 Transistor mit Floating Gate

Warum ist FRAM besser als diese Speichertypen?

Der Hauptvorteil von FRAM gegenüber SRAM ist die Nichtflüchtigkeit. Wenn die Stromversorgung des Speicherchips unterbrochen wird, behält er seinen vorherigen Zustand bei. Gleichzeitig ist die Leistung dieser Speichertypen miteinander vergleichbar - der Schreibzyklus auf FRAM dauert laut Fujitsu-Website 150 Nanosekunden gegenüber 55 Nanosekunden in SRAM . Aber FRAM hat eine begrenzte (wenn auch riesige - 10 ^ 13) Anzahl von Umschreibungszyklen, während SRAM keine solchen Einschränkungen hat. DRAM verliert aufgrund der Notwendigkeit einer Datenregeneration viel an FRAM in Bezug auf den Stromverbrauch. Daher wird DRAM in energiesensitiven Geräten nicht verwendet.

Obwohl FRAM in seinen Eigenschaften mit SRAM vergleichbar ist, ist das Hauptpotential der Anwendung mit erheblichen Vorteilen gegenüber dem Flash-Speicher verbunden. Zuallererst ist es eine riesige Leistung. Über denselben Link zur Fujitsu-Website beträgt die Zeit eines Aufnahmezyklus auf Flash etwa 10 Mikrosekunden. Hier sollten wir die Besonderheit der Verwendung von Flash-Speicher erwähnen - das Schreiben und Löschen erfolgt in ausreichend großen Blöcken. Das Überschreiben eines Bytes in einem Flash ist daher sowohl zeitlich als auch im Hinblick auf den Stromverbrauch ein sehr teures Vergnügen. Sie müssen den Datenblock irgendwo speichern, das darin enthaltene Byte ändern, den entsprechenden Abschnitt des Blocks vollständig löschen und die aktualisierten Daten darin überschreiben. Ein weiterer Vorteil von FRAM ist übrigens der Direktzugriffsspeicher, dh Sie können einzelne Bits darin ändern, ohne die benachbarten zu berühren.Aber selbst beim Schreiben großer FRAM-Datenblöcke ist dies um eine Größenordnung schneller. In Texas Instrument-Controllern dauert das Schreiben eines 13-kB-Blocks im FRAM 10 ms gegenüber 1 Sekunde im Flash (Beweis ). Ein weiterer Nachteil von Flash ist die sehr begrenzte Anzahl von Umschreibungszyklen - in der Größenordnung von 10 ^ 5.

Als ich von all diesen Eigenschaften erfuhr, hatte ich eine Frage: Warum hat FRAM Flash immer noch nicht getötet? In der Tat sind alle Eigenschaften von FRAM um Größenordnungen besser als die Eigenschaften eines Blitzes. Hier tauchten die Hauptnachteile des ferromagnetischen RAM auf. Erstens ist dies aufgrund der Art der Technologie eine geringe Informationsdichte. Ein weiterer Nachteil dieses Nachteils besteht darin, dass die Kapazität von FRAM-Laufwerken nicht groß genug gemacht werden kann. Fujitsu bietet Speicherschaltungen mit bis zu 4 Mbit / s, die mit Multi-Gigabyte-Flash-Laufwerken nicht zu vergleichen sind. Ein weiterer Nachteil sind die relativ hohen Speicherkosten. Heute hat FRAM einen sehr geringen Anteil am Markt für Halbleiterbauelemente.

Für welche Anwendungen ist optimaler Speicher wie FRAM? Gut genug FRAM in Mikrocontrollern in Kombination mit einer kleinen Menge SRAM. Eigentlich ist dies genau die Anwendung, die mich zu dieser Art von Erinnerung hingezogen hat. Beispielsweise hat Texas Instruments eine Reihe von FRAM-Mikrocontrollern mit vollständig fehlenden Flash / EEPROMs herausgebracht. Der darin enthaltene Code wird in das FRAM-Segment geschrieben, und auf Daten in demselben FRAM kann auf dieselbe Weise wie im regulären RAM-Speicher zugegriffen werden. Eine solche Anwendung ist praktisch, wenn eine erhebliche Datenmenge vorhanden ist, die häufig überschrieben werden kann. Zum Beispiel ein tragbarer Logger, für den der Stromverbrauch wichtig ist. Sie können Daten für eine bestimmte Zeit im FRAM aufzeichnen, dann Daten über die Durchschnittswerte drahtlos analysieren und beispielsweise senden.Der Flash-Speicher ist bei dieser Verwendung unpraktisch - er entlädt den Akku schnell und aufgrund der begrenzten Aufnahmezyklen können nach einiger Zeit Probleme mit beschädigten Speicherzellen auftreten. Somit ist FRAM für Anwendungen mit geringem Stromverbrauch mit einem relativ großen Volumen und einer hohen Schreibfrequenz in einen nichtflüchtigen Speicher vorteilhaft. Im Allgemeinen gibt TI auf seiner Website an, in welchen Bereichen ihrer Meinung nach eine solche Erinnerung am bequemsten ist.

Ich hoffe, ich habe es geschafft, Ihre Aufmerksamkeit auf diese interessante und ungewöhnliche Technologie zu lenken, über die es leider praktisch keine Informationen über Habré / Gytims gibt.

Source: https://habr.com/ru/post/de390389/