Tecnología FRAM

La memoria en los microcontroladores modernos generalmente se divide de acuerdo con la dependencia del suministro de energía. La memoria no volátil incluye las tecnologías DRAM y SRAM, memoria no volátil - EEPROM / Flash. Esta separación existe debido al hecho de que DRAM / SRAM tienen un rendimiento mucho mejor en comparación con la memoria no volátil. Pero, ¿qué sucedería si hubiera memoria no volátil, no inferior a la memoria no volátil en la velocidad de lectura / escritura y el consumo de energía? Resulta que tales tecnologías existen. Uno de los representantes de esta clase de memoria es la tecnología FRAM o FeRAM. Pido detalles bajo cat.

Entonces, la memoria no volátil de acceso aleatorio ferromagnético o FeRAM es un tipo de memoria cuyo principio operativo se basa en el efecto de histéresis en una ferroeléctrica. Cuando se aplica un campo eléctrico a la célula, cambia su polarización y pasa a otra parte del circuito de histéresis. Debido a esto, es posible obtener dos estados que se distinguen bien por energía, y esto es suficiente para crear memoria basada en dicha célula. Esto está bien ilustrado por los GIF del sitio de Fujitsu, uno de los principales productores de FRAM.


Fig. 1 El principio de funcionamiento de FRAM.

Para comprender las ventajas que esto ofrece sobre los tipos clásicos de memoria, también es necesario recordar los principios básicos de funcionamiento de otros tipos de memoria.

El principio de funcionamiento de DRAM (RAM dinámica) se basa en leer y cambiar la carga del condensador. Si el condensador está cargado, la celda está en el estado "1", si está descargada, está en el estado "0". Justo como un paraguas. Para aumentar la velocidad en las celdas de memoria, se utilizan condensadores pequeños, cuya carga fluye relativamente rápido. Por lo tanto, para garantizar la seguridad de la información, la información debe ser regenerada. DRAM se utiliza como RAM en las computadoras modernas debido a su bajo costo (en comparación con SRAM) y su alta velocidad (en comparación con las unidades de disco).


Fig. 2 DRAM típica

La SRAM (RAM estática) es mucho más compleja que la DRAM y, por lo tanto, mucho más costosa. Su principio de funcionamiento se basa en el uso de transistores CMOS. Al combinar varios transistores, puede obtener un disparador, una celda que guarda un cierto estado lógico. Para este tipo de memoria, no hay necesidad de regeneración de estado, pero sin embargo, en ausencia de energía, los datos se pierden, es decir. La memoria sigue siendo volátil. Este tipo de memoria es más rápida que la DRAM. Dado que dicha memoria es mucho más costosa que la DRAM, se usa donde se requiere un tiempo de respuesta muy corto, en la memoria caché del procesador.


Fig. 3 Célula SRAM de seis transistores

Modern Flash y EEPROM se basan en el uso de transistores con la llamada puerta flotante. Los electrones se inyectan en el "bolsillo" de la estructura de semiconductores, y su presencia / ausencia se puede detectar externamente. Esta es una propiedad que permite el uso de estructuras como la memoria. La carga se escapa del bolsillo, pero ocurre de forma bastante lenta (~ 10-20 años), lo que permite el uso de EEPROM / Flash como memoria no volátil. Flash se usa para almacenar código de programa en dispositivos de microcontrolador, así como en tarjetas de memoria.


Fig.4 Transistor con una puerta flotante

¿Por qué FRAM es mejor que este tipo de memoria?

La principal ventaja de FRAM sobre SRAM es la no volatilidad. Cuando se corta la alimentación del chip de memoria, conserva su estado anterior. Al mismo tiempo, el rendimiento de estos tipos de memoria es comparable entre sí: el ciclo de escritura en FRAM toma 150 nanosegundos versus 55 nanosegundos en SRAM según el sitio web de Fujitsu . Pero FRAM tiene un número limitado (aunque enorme - 10 ^ 13) de ciclos de reescritura, mientras que SRAM no tiene tales restricciones. DRAM pierde mucho frente a FRAM en términos de consumo de energía debido a la necesidad de regeneración de datos. Por lo tanto, DRAM no se utiliza en dispositivos sensibles a la energía.

Sin embargo, aunque FRAM es comparable en características a SRAM, el potencial principal de la aplicación está vinculado a ventajas significativas sobre la memoria Flash. En primer lugar, es una gran actuación. Desde el mismo enlace al sitio web de Fujitsu, el tiempo de un ciclo de grabación en Flash es de aproximadamente 10 microsegundos. Aquí deberíamos mencionar la peculiaridad del uso de la memoria flash: la escritura y el borrado se realizan en bloques suficientemente grandes. Por lo tanto, sobrescribir un byte en un instante es un placer muy costoso tanto en tiempo como en consumo de energía: debe guardar el bloque de datos en algún lugar, cambiar el byte en él, borrar completamente la sección correspondiente del bloque y sobrescribir los datos actualizados en él. Aquí, por cierto, otra ventaja de FRAM es la memoria de acceso aleatorio, lo que significa que puede cambiar bits individuales sin tocar los vecinos.Pero incluso cuando se escriben grandes bloques de datos FRAM es un orden de magnitud más rápido. Entonces, en los controladores de Texas Instrument, escribir un bloque de 13 kB toma 10 ms en FRAM versus 1 segundo en Flash (prueba ). Otro inconveniente de Flash es el número muy limitado de ciclos de reescritura, del orden de 10 ^ 5.

Cuando me enteré de todas estas propiedades, tuve una pregunta: ¿por qué FRAM todavía no ha matado a Flash? De hecho, todas las características de FRAM son órdenes de magnitud mejores que las características de un flash. Aquí surgieron las principales desventajas de la RAM ferromagnética. En primer lugar, esta es una baja densidad de información debido a la naturaleza de la tecnología. Otra desventaja se deriva de este inconveniente: la capacidad de las unidades FRAM no se puede hacer lo suficientemente grande. Fujitsu ofrece circuitos de memoria de hasta 4 Mbps, que no se pueden comparar con unidades flash de varios gigabytes. Otro inconveniente es el alto costo de la memoria. Hoy, FRAM tiene una participación muy pequeña en el mercado de dispositivos semiconductores.

¿Para qué aplicaciones es la memoria óptima como FRAM? FRAM suficientemente bueno en microcontroladores en combinación con una pequeña cantidad de SRAM. En realidad, esta es la aplicación que me atrajo a este tipo de memoria. Por ejemplo, Texas Instruments ha lanzado una línea de microcontroladores FRAM con falta de Flash / EEPROM. El código en ellos está escrito en el segmento FRAM, y se puede acceder a los datos en el mismo FRAM de la misma manera que la memoria RAM normal. Dicha aplicación es conveniente cuando hay una cantidad significativa de datos que a menudo se pueden sobrescribir. Por ejemplo, un registrador portátil para el que el consumo de energía es importante. Puede registrar datos en FRAM durante un tiempo determinado, luego analizar y, por ejemplo, enviar datos sobre los valores promedio de forma inalámbrica.La memoria flash es inconveniente con este uso: agotará rápidamente la batería y, debido a los ciclos de grabación limitados, después de un tiempo, pueden aparecer problemas con las células de memoria dañadas. Por lo tanto, FRAM es beneficioso para aplicaciones de baja potencia con un volumen relativamente grande y una alta frecuencia de escritura en memoria no volátil. En general, TI en su sitio web indica en qué áreas, en su opinión, tal memoria es más conveniente.

Espero haber logrado llamar su atención sobre esta tecnología interesante e inusual, sobre la cual, desafortunadamente, prácticamente no hay información sobre Habré / Gytims.

Source: https://habr.com/ru/post/es390389/