Teknologi FRAM

Memori dalam mikrokontroler modern biasanya dibagi sesuai dengan ketergantungan pada pasokan energi. Memori non-volatile termasuk teknologi DRAM dan SRAM, memori non-volatile - EEPROM / Flash. Pemisahan ini terjadi karena fakta bahwa DRAM / SRAM memiliki kinerja yang jauh lebih baik dibandingkan dengan memori non-volatile. Tetapi apa yang akan terjadi jika ada memori non-volatile, tidak kalah dengan memori non-volatile dalam kecepatan baca / tulis dan konsumsi daya? Ternyata teknologi seperti itu ada. Salah satu perwakilan dari kelas memori ini adalah teknologi FRAM atau FeRAM. Saya meminta detail di bawah kucing.

Jadi, FeRAM atau Ferromagnetic Random Access non-volatile Memory adalah jenis memori yang prinsip operasinya didasarkan pada efek histeresis dalam feroelektrik. Ketika medan listrik diterapkan ke sel, itu mengubah polarisasi, melewati bagian lain dari loop histeresis. Karena ini, dua keadaan yang jelas dapat dibedakan oleh energi dapat diperoleh, dan ini cukup untuk membuat memori berdasarkan sel seperti itu. Ini diilustrasikan dengan baik oleh GIF dari situs Fujitsu - salah satu produsen utama FRAM.


Gbr.1 Prinsip operasi FRAM

Untuk memahami keunggulan apa yang diberikannya pada tipe memori klasik, Anda juga perlu mengingat prinsip-prinsip dasar pengoperasian tipe memori lain.

Prinsip pengoperasian DRAM (Dynamic RAM) didasarkan pada pembacaan dan perubahan biaya kapasitor. Jika kapasitor terisi daya, sel dalam status "1", jika habis, ia dalam status "0". Persis seperti payung. Untuk meningkatkan kecepatan dalam sel memori, kapasitor kecil digunakan, muatan yang mengalir relatif cepat. Oleh karena itu, untuk memastikan keamanan informasi, informasi harus dibuat ulang. DRAM digunakan sebagai RAM pada komputer modern karena biayanya yang rendah (dibandingkan dengan SRAM) dan kecepatan tinggi (dibandingkan dengan disk drive).


2 DRAM Khas

SRAM (RAM Statis) jauh lebih kompleks daripada DRAM, dan karenanya jauh lebih mahal. Prinsip operasinya didasarkan pada penggunaan transistor CMOS. Saat menggabungkan beberapa transistor, Anda bisa mendapatkan pemicu - sel yang menyimpan keadaan logis tertentu. Untuk jenis memori ini, tidak perlu regenerasi keadaan, tetapi bagaimanapun, dengan tidak adanya kekuatan, data hilang, mis. memori tetap tidak stabil. Memori semacam ini lebih cepat dari DRAM. Karena memori seperti itu jauh lebih mahal daripada DRAM, memori ini digunakan di mana waktu respons yang sangat singkat diperlukan - dalam cache prosesor.


Gambar. 3 Enam-transistor sel SRAM

Modern Flash dan EEPROM didasarkan pada penggunaan transistor dengan gerbang mengambang. Elektron disuntikkan ke "saku" struktur semikonduktor, dan ada / tidaknya mereka dapat dideteksi secara eksternal. Ini adalah properti yang memungkinkan penggunaan struktur seperti memori. Muatan bocor keluar dari saku, tetapi terjadi agak lambat (~ 10-20 tahun), yang memungkinkan penggunaan EEPROM / Flash sebagai memori yang tidak mudah menguap. Flash digunakan untuk menyimpan kode program dalam perangkat mikrokontroler, serta dalam kartu memori.


Gbr.4 Transistor dengan gerbang mengambang.

Mengapa FRAM lebih baik dari memori jenis ini?

Keuntungan utama FRAM dibandingkan SRAM adalah non-volatilitas. Ketika daya ke chip memori terputus, ia mempertahankan status sebelumnya. Pada saat yang sama, kinerja jenis memori ini dapat dibandingkan satu sama lain - siklus penulisan pada FRAM membutuhkan 150 nanodetik dibandingkan 55 nanodetik dalam SRAM menurut situs web Fujitsu . Tetapi FRAM memiliki jumlah siklus penulisan ulang yang terbatas (walaupun sangat besar - 10 ^ 13), sementara SRAM tidak memiliki batasan seperti itu. DRAM kehilangan banyak FRAM dalam hal konsumsi daya karena kebutuhan untuk regenerasi data. Oleh karena itu, DRAM tidak digunakan dalam perangkat yang peka terhadap energi.

Meskipun demikian, meskipun FRAM memiliki karakteristik yang sebanding dengan SRAM, potensi utama aplikasi terkait dengan keunggulan signifikan dibandingkan memori Flash. Pertama-tama, ini adalah kinerja yang sangat besar. Dari tautan yang sama ke situs web Fujitsu, waktu satu siklus perekaman di Flash adalah sekitar 10 mikrodetik. Di sini kita harus menyebutkan keanehan penggunaan memori flash - menulis dan menghapusnya dilakukan dalam blok yang cukup besar. Oleh karena itu, menimpa satu byte dalam flash adalah kesenangan yang sangat mahal baik dalam waktu maupun konsumsi daya - Anda perlu menyimpan blok data di suatu tempat, mengubah byte di dalamnya, sepenuhnya menghapus bagian blok yang sesuai dan menimpa data yang diperbarui di dalamnya. Di sini, omong-omong, keuntungan lain dari FRAM adalah memori akses acak, yang berarti Anda dapat mengubah bit individual di dalamnya tanpa menyentuh yang bertetangga.Tetapi bahkan ketika menulis blok besar data FRAM, ini adalah urutan besarnya lebih cepat. Jadi, pada pengontrol Texas Instrument, menulis blok 13 kB membutuhkan 10 ms dalam FRAM dibandingkan 1 detik dalam Flash (bukti ). Kelemahan lain Flash adalah jumlah siklus penulisan ulang yang sangat terbatas - dengan urutan 10 ^ 5.

Ketika saya mengetahui tentang semua properti ini, saya punya satu pertanyaan - mengapa FRAM masih belum membunuh Flash? Memang, semua karakteristik FRAM adalah urutan besarnya lebih baik daripada karakteristik flash. Di sini kelemahan utama dari RAM feromagnetik muncul. Pertama-tama, ini adalah kepadatan informasi yang rendah karena sifat teknologi. Kerugian lain mengikuti dari kelemahan ini - kapasitas drive FRAM tidak dapat dibuat cukup besar. Fujitsu menawarkan sirkuit memori hingga 4 Mbps, yang tidak dapat dibandingkan dengan flash drive multi-gigabyte. Kelemahan lain adalah biaya memori yang agak tinggi. Saat ini, FRAM memiliki pangsa pasar perangkat semikonduktor yang sangat kecil.

Untuk aplikasi mana memori optimal seperti FRAM? FRAM yang cukup baik dalam mikrokontroler dalam kombinasi dengan sejumlah kecil SRAM. Sebenarnya, ini adalah aplikasi yang sangat menarik bagi saya untuk jenis memori ini. Sebagai contoh, Texas Instruments telah merilis garis mikrokontroler FRAM dengan Flash / EEPROM yang sama sekali tidak ada. Kode di dalamnya ditulis dalam segmen FRAM, dan data dalam FRAM yang sama dapat diakses dengan cara yang sama seperti memori RAM biasa. Aplikasi seperti itu nyaman di mana ada sejumlah besar data yang sering kali dapat ditimpa. Misalnya, logger portabel yang konsumsi dayanya penting. Anda dapat menulis data ke FRAM untuk waktu tertentu, lalu menganalisis dan, misalnya, mengirim data tentang nilai rata-rata secara nirkabel.Memori flash tidak nyaman dengan penggunaan ini - ia akan cepat menguras baterai, dan karena siklus perekaman yang terbatas, masalah dengan sel-sel memori yang rusak dapat muncul dari waktu ke waktu. Dengan demikian, FRAM bermanfaat untuk aplikasi berdaya rendah dengan volume yang relatif besar dan frekuensi tinggi penulisan ke memori non-volatile. Secara umum, TI di situs webnya menunjukkan di area mana menurut mereka memori seperti itu paling nyaman.

Saya harap saya berhasil menarik perhatian Anda ke teknologi yang menarik dan tidak biasa ini, yang sayangnya, hampir tidak ada informasi tentang Habré / Gytims.

Source: https://habr.com/ru/post/id390389/