Technologie FRAM

La mémoire des microcontrôleurs modernes est généralement divisée en fonction de la dépendance à l'égard de l'approvisionnement en énergie. La mémoire non volatile comprend la DRAM et la SRAM, et la mémoire non volatile est EEPROM / Flash. Cette division existe parce que la DRAM / SRAM a des performances bien meilleures par rapport à la mémoire non volatile. Mais que se passerait-il s'il y avait une mémoire non volatile qui n'était pas inférieure à la mémoire non volatile en termes de vitesse de lecture / écriture et de consommation d'énergie? Il s'avère que de telles technologies existent. L'un des représentants de cette classe de mémoire est la technologie FRAM ou FeRAM. Je demande des détails sous chat.

Ainsi, la mémoire non volatile FeRAM ou Ferromagnetic Random Access est un type de mémoire dont le principe de fonctionnement est basé sur l'effet d'hystérésis dans un ferroélectrique. Lorsqu'un champ électrique est appliqué à la cellule, il modifie sa polarisation, passant à une autre partie de la boucle d'hystérésis. Pour cette raison, il est possible d'obtenir deux états qui se distinguent bien par l'énergie, et cela suffit pour créer une mémoire basée sur une telle cellule. Ceci est bien illustré par les GIF du site de Fujitsu - l'un des principaux producteurs de FRAM.


Fig.1 Le principe de fonctionnement de FRAM

Afin de comprendre quels avantages cela donne par rapport aux types de mémoire classiques, il est également nécessaire de rappeler les principes de base de fonctionnement des autres types de mémoire.

Le principe de fonctionnement de la DRAM (Dynamic RAM) est basé sur la lecture et la modification de la charge du condensateur. Si le condensateur est chargé, la cellule est à l'état "1", si elle est déchargée, elle est à l'état "0". Comme un parapluie. Pour augmenter la vitesse dans les cellules mémoire, de petits condensateurs sont utilisés, dont la charge circule relativement rapidement. Par conséquent, pour garantir la sécurité des informations, les informations doivent être régénérées. La DRAM est utilisée comme RAM sur les ordinateurs modernes en raison de son faible coût (par rapport à SRAM) et de sa vitesse élevée (par rapport aux unités de disque).


Fig.2 DRAM typique

SRAM (Static RAM) est beaucoup plus complexe que DRAM, et donc beaucoup plus cher. Son principe de fonctionnement est basé sur l'utilisation de transistors CMOS. Lorsque vous combinez plusieurs transistors, vous pouvez obtenir un déclencheur - une cellule qui enregistre un certain état logique. Pour ce type de mémoire, il n'y a pas besoin de régénération d'état, mais néanmoins, en l'absence d'alimentation, les données sont perdues, c'est-à-dire la mémoire reste volatile. Ce type de mémoire est plus rapide que la DRAM. Étant donné qu'une telle mémoire est beaucoup plus chère que la DRAM, elle est utilisée lorsqu'un temps de réponse très court est requis - dans le cache du processeur.


Fig.3 Cellule SRAM à six transistors

Flash moderne et EEPROM sont basés sur l'utilisation de transistors avec la soi-disant grille flottante. Des électrons sont injectés dans la "poche" de la structure semi-conductrice, et leur présence / absence peut être détectée extérieurement. Il s'agit d'une propriété qui permet l'utilisation de structures telles que la mémoire. La charge s'échappe de la poche, mais elle se produit assez lentement (~ 10-20 ans), ce qui permet d'utiliser l'EEPROM / Flash comme mémoire non volatile. Flash est utilisé pour stocker le code du programme dans les dispositifs à microcontrôleur, ainsi que dans les cartes mémoire.


Fig.4 Transistor à grille flottante

Pourquoi la FRAM est-elle meilleure que ces types de mémoire?

Le principal avantage de FRAM sur SRAM est la non-volatilité. Lorsque l'alimentation de la puce mémoire est coupée, elle conserve son état précédent. Dans le même temps, les performances de ces types de mémoire sont comparables les unes aux autres - le cycle d'écriture sur FRAM prend 150 nanosecondes contre 55 nanosecondes en SRAM selon le site Web de Fujitsu . Mais FRAM a un nombre limité (quoique énorme - 10 ^ 13) de cycles de réécriture, tandis que SRAM n'a pas de telles restrictions. La DRAM perd beaucoup en FRAM en termes de consommation d'énergie en raison de la nécessité de régénérer les données. Par conséquent, la DRAM n'est pas utilisée dans les appareils sensibles à l'énergie.

Néanmoins, bien que FRAM soit comparable dans ses caractéristiques à SRAM, le potentiel principal de l'application est lié à des avantages significatifs par rapport à la mémoire Flash. Tout d'abord, c'est une énorme performance. À partir du même lien vers le site Web de Fujitsu, le temps d'un cycle d'enregistrement sur Flash est d'environ 10 microsecondes. Ici, nous devons mentionner la particularité de l'utilisation de la mémoire flash - l'écriture et l'effacement y sont effectués en blocs suffisamment grands. Par conséquent, l'écrasement d'un octet en un éclair est un plaisir très coûteux en temps et en consommation d'énergie - vous devez enregistrer le bloc de données quelque part, y changer l'octet, effacer complètement la section correspondante du bloc et écraser les données mises à jour. Ici, en passant, un autre avantage de FRAM est la mémoire à accès aléatoire, ce qui signifie que vous pouvez y changer des bits individuels sans toucher aux bits voisins.Mais même lors de l'écriture de gros blocs de données FRAM, c'est un ordre de grandeur plus rapide. Ainsi, dans les contrôleurs Texas Instrument, l'écriture d'un bloc de 13 ko prend 10 ms en FRAM contre 1 seconde en Flash (preuve ). Un autre inconvénient de Flash est le nombre très limité de cycles de réécriture - de l'ordre de 10 ^ 5.

Quand j'ai découvert toutes ces propriétés, j'avais une question - pourquoi FRAM n'a-t-il toujours pas tué Flash? En effet, toutes les caractéristiques de la FRAM sont des ordres de grandeur meilleures que les caractéristiques d'un flash. Ici, les principaux inconvénients de la RAM ferromagnétique sont apparus. Tout d'abord, il s'agit d'une faible densité d'informations en raison de la nature de la technologie. Un autre inconvénient de cet inconvénient est que la capacité des disques FRAM ne peut pas être suffisamment grande. Fujitsu propose des circuits de mémoire jusqu'à 4 Mbps, ce qui n'est pas comparable aux lecteurs flash multi-gigaoctets. Un autre inconvénient est le coût plutôt élevé de la mémoire. Aujourd'hui, FRAM détient une très petite part du marché des dispositifs semi-conducteurs.

Pour quelles applications la mémoire optimale est-elle comme FRAM? Assez bonne FRAM dans les microcontrôleurs en combinaison avec une petite quantité de SRAM. En fait, c'est l'application même qui m'a attiré vers ce type de mémoire. Par exemple, Texas Instruments a publié une gamme de microcontrôleurs FRAM avec des Flash / EEPROM complètement manquants. Le code qu'ils contiennent est écrit dans le segment FRAM et les données de la même FRAM sont accessibles de la même manière que la mémoire RAM normale. Une telle application est pratique lorsqu'il existe une quantité importante de données qui peuvent souvent être écrasées. Par exemple, un enregistreur portable pour lequel la consommation d'énergie est importante. Vous pouvez enregistrer des données dans FRAM pendant un certain temps, puis les analyser et, par exemple, envoyer des données sur les valeurs moyennes sans fil.La mémoire flash n'est pas pratique avec cette utilisation - elle déchargera rapidement la batterie, et en raison des cycles d'enregistrement limités, après un certain temps, des problèmes avec des cellules de mémoire endommagées peuvent apparaître. Ainsi, FRAM est bénéfique pour les applications de faible puissance avec un volume relativement important et une fréquence élevée d'écriture dans une mémoire non volatile. En général, TI sur son site Web indique dans quels domaines, à leur avis, une telle mémoire est la plus pratique.

J'espère avoir réussi à attirer votre attention sur cette technologie intéressante et inhabituelle, sur laquelle, malheureusement, il n'y a pratiquement aucune information sur Habré / Gytims.

Source: https://habr.com/ru/post/fr390389/