Tecnologia FRAM

A memória nos microcontroladores modernos geralmente é dividida de acordo com a dependência do suprimento de energia. A memória não volátil inclui DRAM e SRAM, e a memória não volátil é a EEPROM / Flash. Essa divisão existe porque a DRAM / SRAM tem desempenho muito melhor em comparação à memória não volátil. Mas o que aconteceria se houvesse memória não volátil, não inferior à memória não volátil na velocidade de leitura / gravação e no consumo de energia? Acontece que essas tecnologias existem. Um dos representantes dessa classe de memória é a tecnologia FRAM ou FeRAM. Peço detalhes sob gato.

Portanto, a Memória não volátil FeRAM ou Acesso Aleatório Ferromagnético é um tipo de memória cujo princípio operacional se baseia no efeito da histerese em um ferroelétrico. Quando um campo elétrico é aplicado à célula, ele muda sua polarização, passando para outra parte do ciclo da histerese. Devido a isso, é possível obter dois estados que são claramente distinguíveis por energia, e isso é suficiente para criar memória com base nessa célula. Isso é bem ilustrado pelos GIFs do site da Fujitsu - um dos principais produtores de FRAM.


Fig. 1. O princípio de operação do FRAM

Para entender quais vantagens isso oferece aos tipos clássicos de memória, também é necessário recordar os princípios básicos de operação de outros tipos de memória.

O princípio de operação da DRAM (RAM dinâmica) baseia-se na leitura e alteração da carga do capacitor. Se o capacitor estiver carregado, a célula está no estado "1", se descarregada, está no estado "0". Como um guarda-chuva. Para aumentar a velocidade nas células de memória, pequenos capacitores são usados, cuja carga flui relativamente rapidamente. Portanto, para garantir a segurança das informações, as informações devem ser regeneradas. A DRAM é usada como RAM em computadores modernos devido ao seu baixo custo (comparado à SRAM) e alta velocidade (comparada às unidades de disco).


Fig. 2 DRAM típica

A SRAM (RAM estática) é muito mais complexa que a DRAM e, portanto, muito mais cara. Seu princípio de operação é baseado no uso de transistores CMOS. Ao combinar vários transistores, você pode obter um gatilho - uma célula que salva um determinado estado lógico. Para esse tipo de memória, não há necessidade de regeneração de estado, mas, no entanto, na falta de energia, os dados são perdidos, ou seja, a memória permanece volátil. Esse tipo de memória é mais rápido que a DRAM. Como essa memória é muito mais cara que a DRAM, é usada onde é necessário um tempo de resposta muito curto - no cache do processador.


Fig. 3 Célula SRAM de seis transistores

O Flash moderno e a EEPROM são baseados no uso de transistores com o chamado portão flutuante. Os elétrons são injetados no "bolso" da estrutura do semicondutor, e sua presença / ausência pode ser detectada externamente. Esta é uma propriedade que permite o uso de estruturas como memória. A carga vaza do bolso, mas acontece bem devagar (~ 10 a 20 anos), o que permite o uso da EEPROM / Flash como uma memória não volátil. O Flash é usado para armazenar o código do programa em dispositivos de microcontrolador, bem como em cartões de memória.


Fig.4 Transistor com uma porta flutuante

Por que o FRAM é melhor que esses tipos de memória?

A principal vantagem do FRAM sobre SRAM é a não volatilidade. Quando a energia do chip de memória é cortada, ele mantém seu estado anterior. Ao mesmo tempo, o desempenho desses tipos de memória é comparável entre si - o ciclo de gravação na FRAM leva 150 nanossegundos contra 55 nanossegundos na SRAM, de acordo com o site da Fujitsu . Mas o FRAM tem um número limitado (embora enorme - 10 ^ 13) de ciclos de reescrita, enquanto o SRAM não possui essas restrições. A DRAM perde muito para a FRAM em termos de consumo de energia devido à necessidade de regeneração de dados. Portanto, a DRAM não é usada em dispositivos sensíveis à energia.

No entanto, embora a FRAM tenha características comparáveis ​​à SRAM, o principal potencial do aplicativo está associado a vantagens significativas sobre a memória Flash. Primeiro de tudo, é um desempenho enorme. No mesmo link para o site da Fujitsu, o tempo de um ciclo de gravação no Flash é de cerca de 10 microssegundos. Aqui, devemos mencionar a peculiaridade do uso da memória flash - a escrita e a exclusão são realizadas em blocos suficientemente grandes. Portanto, substituir um byte em um flash é um prazer muito caro, tanto no tempo quanto no consumo de energia - você precisa salvar o bloco de dados em algum lugar, alterar o byte, apagar completamente a seção correspondente do bloco e substituir os dados atualizados nele. Aqui, a propósito, outra vantagem do FRAM é a memória de acesso aleatório, o que significa que você pode alterar os bits individuais sem tocar nos vizinhos.Mas, mesmo ao gravar grandes blocos de dados FRAM, é uma ordem de magnitude mais rápida. Portanto, nos controladores da Texas Instrument, escrever um bloco de 13 kB leva 10 ms na FRAM versus 1 segundo no Flash (prova ). Outra desvantagem do Flash é o número muito limitado de ciclos de reescrita - da ordem de 10 ^ 5.

Quando descobri todas essas propriedades, tive uma pergunta: por que o FRAM ainda não matou o Flash? De fato, todas as características da FRAM são ordens de magnitude melhores que as características de um flash. Aqui surgiram as principais desvantagens da RAM ferromagnética. Primeiro de tudo, essa é uma baixa densidade de informações devido à natureza da tecnologia. Outra desvantagem dessa desvantagem é que a capacidade das unidades FRAM não pode ser grande o suficiente. A Fujitsu oferece circuitos de memória de até 4 Mbps, que não podem ser comparados com unidades flash de vários gigabytes. Outra desvantagem é o alto custo da memória. Hoje, a FRAM possui uma participação muito pequena no mercado de dispositivos semicondutores.

Para quais aplicativos a memória é ideal, como a FRAM? FRAM bom o suficiente em microcontroladores em combinação com uma pequena quantidade de SRAM. Na verdade, esse é o próprio aplicativo que me atraiu para esse tipo de memória. Por exemplo, a Texas Instruments lançou uma linha de microcontroladores FRAM com Flash / EEPROMs completamente ausentes. O código neles é gravado no segmento FRAM, e os dados na mesma FRAM podem ser acessados ​​da mesma maneira que a memória RAM comum. Esse aplicativo é conveniente quando há uma quantidade significativa de dados que geralmente pode ser substituída. Por exemplo, um registrador portátil para o qual o consumo de energia é importante. Você pode gravar dados na FRAM por um certo tempo, depois analisar e, por exemplo, enviar dados sobre os valores médios sem fio.A memória flash é inconveniente com esse uso - ela descarrega rapidamente a bateria e, devido aos ciclos limitados de gravação, após algum tempo, podem aparecer problemas com as células de memória danificadas. Assim, a FRAM é benéfica para aplicativos de baixa potência com um volume relativamente grande e alta frequência de gravação em memória não volátil. Em geral, a TI em seu site indica em quais áreas, na sua opinião, essa memória é mais conveniente.

Espero ter conseguido chamar sua atenção para esta tecnologia interessante e incomum, sobre a qual, infelizmente, praticamente não há informações sobre Habré / Gytims.

Source: https://habr.com/ru/post/pt390389/