강유전체 램

Ferroelectric RAM
이 기사는 D램 셀의 용량 구조에서 강유전체(강유전체)를 이용한 비휘발성 메모리에 관한 것입니다.단일 트랜지스터 FERREC FET 메모리의 경우 FeFET 메모리를 참조하십시오.
컴퓨터 메모리 및 데이터 스토리지 유형
일반
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아날로그 녹음
옵티컬
개발 중
이력
램트론의 FeRAM
FRAM 강유전체 콘덴서

강유전체 RAM(FeRAM, F-RAM 또는 FRAM)은 DRAM과 구조가 비슷하지만 비휘발성을 달성하기 위해 유전체층 대신 강유전체층을 사용합니다.FeRAM은 플래시 메모리와 동일한 기능을 제공하는 대체 비휘발성 랜덤 액세스 메모리 기술 중 하나입니다.FeRAM 칩에는 보통 PZT라고 불리는 지르콘산티탄산납 강유전체 물질의 얇은 막이 들어 있습니다.PZT층의 원자는 전기장에서 극성을 변화시켜 전력 효율이 뛰어난 바이너리 스위치를 생성합니다.단, PZT의 가장 중요한 측면은 정전이나 자기 간섭의 영향을 받지 않기 때문에 FeRAM은 신뢰할 수 있는 비휘발성 [1]메모리입니다.

Flash에 비해 FeRAM의 장점은 낮은 전력 사용량, 빠른 쓰기[2] 성능, 훨씬 더 큰 최대 읽기/쓰기 내구성(약10 10-1015 사이클)[3][4]입니다.FeRAM은 +85°C에서 10년 이상의 데이터 보존 시간을 가집니다(저온에서 최대 수십 년).FeRAM의 시장 단점은 플래시 장치보다 훨씬 낮은 스토리지 밀도, 스토리지 용량 제한 및 높은 비용입니다.DRAM과 마찬가지로 FeRAM의 읽기 프로세스는 파괴적이며 읽기 후 쓰기 아키텍처가 필요합니다.

역사

강유전체 RAM은 MIT 대학원생인 Dudley Allen Buck이 [5]1952년에 발표한 석사 논문인 Ferroelectrics for Digital Information Storage and Switching에서 제안한 것입니다.

1955년 벨 전화 연구소는 강유전체 결정 메모리를 [6]실험하고 있었다.1970년대 [7]초 금속산화물반도체(MOS) DRAM(Dynamic Random Access Memory) 칩의 도입에 이어 1980년대 후반에 FeRAM 개발이 시작되었습니다.1991년 NASA의 제트 추진 연구소(JPL)에서 자외선 방사 [8]펄스를 이용한 새로운 비파괴 판독 방법을 포함하여 판독 방법을 개선하는 작업이 수행되었다.

FeRAM은 1990년대 후반 상용화됐다.삼성전자는 1996년 NMOS [9]논리로 제작된 4Mb FeRAM 칩을 선보였다.1998년 현대전자(현 SK하이닉스)도 FeRAM [10]기술을 상용화했다.FeRAM을 사용한 최초의 상용 제품은 2000년에 출시된 소니의 플레이스테이션 2 메모리 카드(8MB)이다.도시바가 제조한 메모리 카드의 마이크로 컨트롤러(MCU)에는 500 nm의 상보 MOS([9]CMOS) 프로세스를 사용하여 제조된 32 kb(4 kB) 내장 FeRAM이 포함되어 있습니다.

현대 FeRAM의 주요 제조사는 팹리스 반도체 회사인 람트론이다.FeRAM 기능을 갖춘 최대 반도체 파운드리 생산 라인을 운영하는 후지쯔가 주요 라이센스 회사 중 하나입니다.1999년부터는 FeRAM을 내장한 전용 칩(스마트카드용 칩 등)을 생산하기 위해 이 라인을 사용하고 있으며, 후지쯔는 2010년까지 램트론용 디바이스를 생산하고 있다.2010년부터 Ramtron의 제조사는 TI(Texas Instruments)와 IBM입니다.적어도 2001년부터 Texas Instruments는 Ramtron과 협력하여 130nm 공정의 FeRAM 테스트 칩을 개발했습니다.2005년 가을, Ramtron은 텍사스 인스트루먼트의 FeRAM 공정을 사용하여 제조된 8메가비트 FeRAM의 프로토타입 샘플을 평가하고 있다고 보고했습니다.후지쯔와 세이코엡손은 2005년에 180 nm FeRAM 공정 개발에 협력하고 있었습니다.2012년에 램트론은 사이프레스 세미컨덕터에 [11]인수되었습니다.삼성, 마쓰시타, 오키, 도시바, 인피니온, 하이닉스, 시메트릭스, 케임브리지대, 토론토대, 인터유니버시티 마이크로일렉트로닉스센터(IMEC, 벨기에)에서도 FeRAM 연구 프로젝트가 보고됐다.

묘사

FeRAM 셀 구조

기존 DRAM은 소형 캐패시터 그리드와 관련 배선 및 신호 트랜지스터로 구성됩니다.각 기억 소자인 셀은 하나의 콘덴서와 하나의 트랜지스터, 이른바 "1T-1C" 소자로 구성됩니다.

FeRAM의 1T-1C 스토리지 셀 설계는 DRAM의 스토리지 셀과 구조가 유사하며 두 셀 유형 모두 캐패시터 1개와 액세스 트랜지스터 1개를 포함합니다.DRAM 셀 캐패시터에서는 선형 유전체가 사용되며, FeRAM 셀 캐패시터에서는 유전체 구조는 강유전체 재료, 일반적으로 지르콘산티타늄산납(PZT)을 포함한다.

강유전체 재료는 인가된 전계와 외관상 축적된 전하 사이에 비선형 관계를 가진다.구체적으로는 강유전체 특성은 강자성 재료의 히스테리시스 루프와 매우 유사한 형태의 히스테리시스 루프 형태를 가진다.강유전체 유전율은 일반적으로 강유전체 재료의 결정 구조에 형성된 반영구 전기 쌍극자의 효과 때문에 선형 유전체보다 훨씬 높습니다.외부 전계가 유전체에 인가될 때, 쌍극자는 원자 위치의 작은 이동과 결정 구조 내 전하 분포의 이동에 의해 생성되는 전계 방향에 따라 정렬되는 경향이 있습니다.전하가 제거된 후에도 다이폴은 분극 상태를 유지합니다.이진수 "0"과 "1"은 각 데이터 저장 셀에 가능한 두 가지 전기 편파 중 하나로 저장됩니다.예를 들어 그림에서 음의 잔차 편파 -Pr을 사용하여 "1"을 부호화하고 양의 잔차 편파 "+Pr"을 사용하여 "0"을 부호화한다.

동작 면에서는 FeRAM이 D램과 비슷하다.쓰기는 강유전체층 양쪽에 있는 플레이트를 충전하고 내부의 원자를 (전하의 극성에 따라) "위" 또는 "아래" 방향으로 강제하여 "1" 또는 "0"을 저장함으로써 이루어집니다.그러나 판독은 D램과 다소 다르다.트랜지스터는 셀을 특정 상태(예: "0")로 강제 적용합니다.셀이 이미 "0"을 유지하고 있는 경우 출력 라인에는 아무 일도 일어나지 않습니다.셀이 "1"을 유지하면 필름 내 원자의 방향 변경으로 인해 전자가 금속에서 "아래"쪽으로 밀려나면서 출력에 짧은 전류 펄스가 발생합니다.이 펄스의 존재는 셀이 "1"을 보유하고 있음을 의미합니다.이 프로세스는 셀을 덮어쓰기 때문에 FeRAM을 읽는 것은 파괴적인 프로세스이며 셀을 다시 써야 합니다.

일반적으로 FeRAM의 동작은 1960년대 컴퓨터 메모리의 주요 형태 중 하나인 페라이트 코어 메모리와 유사합니다.그러나 코어 메모리에 비해 FeRAM은 극성 상태를 뒤집는 데 필요한 전력이 훨씬 적고 속도가 훨씬 빠릅니다.

다른 메모리 타입과의 비교

밀도

메모리 시스템 비용의 주요 결정 요인은 메모리 시스템을 구성하는 데 사용되는 구성 요소의 밀도입니다.컴포넌트가 작고 그 수가 적다는 것은 하나의 칩에 더 많은 셀을 충전할 수 있다는 것을 의미하며, 이는 곧 하나의 실리콘 웨이퍼에서 더 많은 셀을 한 번에 생산할 수 있다는 것을 의미합니다.이를 통해 비용과 직결되는 수율이 향상됩니다.

이 스케일링 프로세스의 하한은 중요한 비교 포인트입니다.일반적으로 최소 셀 크기로 확장되는 기술은 비트당 비용이 가장 적게 듭니다.구조면에서 FeRAM과 D램은 유사하며 일반적으로 비슷한 크기의 라인에서 구축할 수 있습니다.두 경우 모두 하한은 감지 증폭기를 트리거하는 데 필요한 전하량에 의해 정의되는 것으로 보입니다.DRAM의 경우 이는 약 55 nm의 문제로 생각되며, 이 경우 캐패시터에 저장된 전하가 너무 작아서 검출할 수 없습니다.PZT층의 전하 밀도가 일반 캐패시터의 금속판과 같지 않을 수 있기 때문에 FeRAM이 동일한 크기로 확장될 수 있는지 여부는 명확하지 않습니다.

또 다른 크기 제한은 재료가 너무 작으면 [12][13]강유전체 상태가 멈추는 경향이 있다는 것이다.(이 효과는 강유전체 탈분극장과 관련이 있다.)강유전체 물질의 안정화 문제를 해결하기 위한 연구가 진행 중입니다. 예를 들어, 분자 [12]흡착제를 사용하는 방법이 있습니다.

지금까지 상용 FeRAM 장치는 350nm 및 130nm에서 생산되었습니다.초기 모델에서는 비트당 2개의 FeRAM 셀이 필요했기 때문에 매우 낮은 밀도로 이어졌지만, 이후 이 제한은 없어졌습니다.

소비전력

DRAM에 비해 FeRAM의 주요 장점은 읽기 사이클과 쓰기 사이클 사이에 발생하는 것입니다.D램은 금속판에 퇴적된 전하가 절연층과 제어 트랜지스터를 통해 누출되어 사라진다.DRAM에 매우 짧은 시간 이외의 데이터를 저장하기 위해서는 모든 셀을 정기적으로 읽고 다시 써야 합니다.이 프로세스를 리프레시라고 합니다.각 셀은 1초마다 여러 번(일반적으로 초당[14] 16회) 새로 고쳐야 하며, 이를 위해서는 지속적인 전원 공급이 필요합니다.

반면 FeRAM은 실제로 셀을 읽거나 쓸 때만 전력이 필요합니다.DRAM에 사용되는 전력의 대부분은 리프레쉬에 사용되기 때문에 STT-MRAM 연구자가 인용한 벤치마크도 DRAM보다 약 99% 낮은 전력 사용량을 나타내는 것이 타당하다고 생각됩니다.단, FeRAM의 읽기 파괴적인 측면은 MRAM에 비해 불리할 수 있습니다.

또 다른 비휘발성 메모리유형은 플래시로 FeRAM과 마찬가지로 새로 고침 프로세스가 필요하지 않습니다.플래시는 전자를 고품질 절연 장벽에 밀어넣어 트랜지스터의 한 단자에 "고착"시키는 방식으로 작동합니다.이 프로세스에는 시간이 지남에 따라 차지 펌프에 축적되는 고전압이 필요합니다.즉, FeRAM의 쓰기 전력은 읽기보다 약간 높기 때문에 FeRAM은 적어도 쓰기에는 플래시보다 낮은 전력으로 예상됩니다."대부분 읽기" 디바이스의 경우 차이는 미미할 수 있지만 읽기와 쓰기의 균형이 잡힌 디바이스의 경우 차이가 훨씬 클 수 있습니다.

신뢰성.

FRAM-in-magnetic-field.png

F램은 MRAM에 비해 자기장이 높은 환경에서도 데이터 신뢰성이 보장된다.사이프레스 세미컨덕터의 F-RAM[15] 소자는 강한 자기장에 대한 내성이 있으며 사용 가능한 최대 자기장 강도(수평 삽입 시 3,700 가우스, 수직 삽입 시 2,000 가우스)에서 어떠한 고장도 보이지 않습니다.또, F램 장치는, 자기장에의 노광 후에 다른 데이터 패턴으로 개서할 수 있다.

성능

DRAM의 퍼포먼스는 셀에 저장된 전하를 방전(읽기 위해)하거나 저장(쓰기 위해)할 수 있는 속도에 의해 제한됩니다.일반적으로 이것은 제어 트랜지스터의 능력, 셀에 전력을 전달하는 라인의 캐패시턴스 및 전력이 발생시키는 열에 의해 정의됩니다.

FeRAM은 외부 장에 반응하는 원자의 물리적 움직임을 기반으로 하며, 평균 약 1ns의 매우 빠른 속도입니다.이론적으로는 FeRAM이 D램보다 훨씬 빠를 수 있다는 의미다.단, 읽기 및 쓰기를 위해서는 셀에 전력이 공급되어야 하므로 전기적 지연과 스위칭 지연은 DRAM과 전체적으로 비슷할 수 있습니다.FeRAM은 D램보다 적은 전하를 필요로 하는 반면, FeRAM은 전하가 방전되기 전에 쓰기되기 때문에 FeRAM은 D램보다 적은 전하를 필요로 한다고 제안하는 것이 타당해 보입니다.그러나 전하가 제어 트랜지스터를 통과해야 하기 때문에 쓰기 지연이 발생하며, 이로 인해 전류가 다소 제한됩니다.

플래시와 비교했을 때 이점은 훨씬 더 명확합니다.읽기 조작은 성능이 비슷할 가능성이 높지만 쓰기에 사용되는 차지 펌프는 FeRAM이 필요로 하지 않는 프로세스인 전류를 "구축"하는 데 상당한 시간이 필요합니다.플래시 메모리는 일반적으로 쓰기를 완료하는 데 1밀리초 이상이 필요한데, 현재의 FeRAM은 쓰기를 150ns 미만으로 완료할 수 있습니다.

반면 FeRAM은 각인, 피로 등 자체 신뢰성 문제가 있다.임프린트는 이전 쓰기에서 해당 상태로 우선되는 편광 상태이며, 피로는 광범위한 사이클링 후 편광 손실로 인한 최소 쓰기 전압의 증가입니다.

FeRAM의 이론적인 성능은 완전히 명확하지 않다.기존 350nm 디바이스의 읽기 시간은 약 50~60ns입니다.일반적인 350nm D램은 약 [16]35ns의 읽기 시간으로 동작하기 때문에 동일한 제조 기술로 FeRAM 성능을 비교할 수 있습니다.

기타 메트릭

강유전체 램 자기저항 랜덤 액세스 메모리 nvSRAM BBSRAM
기술. 기본 저장 소자는 강유전체 캐패시터입니다.콘덴서는 전계를[17] 인가하여 위아래로 편광할 수 있습니다. 강유전체 램과 비슷하지만 원자는 외부 자력 방향으로 정렬됩니다.이 효과는 데이터를 저장하는 데 사용됩니다. 고성능 SRAM과 함께 비휘발성 요소 포함 외부 전원이 꺼졌을 때 전력을 공급할 수 있는 리튬 에너지원이 있습니다.
data[18] 보유 10~160년[19][4] 20년 20년 배터리 및 주변 온도에 따라 7시간
내구성 1010 ~ 1015[4][20] 10개8 무제한 제한적
속도(최고) 55 ns 35 ns 15 ~ 45 ns 70 ~ 100 ns

적용들

  • FRAM은 EEPROM과 같은 다른 비휘발성 메모리에 비해 에너지를[22] 덜 소비하므로 휴대용/이식 의료 기기의 Datalogger
  • 충돌 또는 고장 시에도 중요한 시스템 데이터를 캡처하는 자동차 시스템의 이벤트 데이터 레코더
  • FRAM은 빠른 쓰기 및 높은 내구성을 위해 스마트 미터 사용
  • Industrial PLC의 FRAM은 배터리 백업식 SRAM(BBSRAM)과 EEPROM을 대체하여 CNC 공구 기계 위치 등의 기계 데이터를 기록하는 데 이상적입니다.

시장.

FeRAM은 전체 반도체 시장에서 상대적으로 작은 비중을 차지하고 있다.2005년 전 세계 반도체 매출은 2,350억 달러(Gartner Group에 따르면), 플래시 메모리 시장은 186억 달러(IC [citation needed]Insights에 따르면)를 차지했습니다.아마도 가장 큰 FeRAM 벤더인 Ramtron의 2005년 연간 매출은 3270만 달러로 보고되었습니다.대체 NVRAM에 비해 플래시 메모리의 판매가 훨씬 더 많기 때문에 연구 개발 작업이 훨씬 더 많이 지원됩니다.플래시 메모리는 삼성(2007년)에서 30nm의 반도체 라인폭을 사용하고, FeRAM은 후지쯔(350nm), 텍사스 인스트루먼트(2007년)에서 130nm의 라인폭으로 생산된다.플래시 메모리 셀은 셀당 여러 비트(현재 가장 높은 밀도의 NAND 플래시 장치에 3비트)를 저장할 수 있으며, 플래시 셀 설계의 혁신으로 인해 플래시 셀당 비트 수는 4비트 또는 심지어 8비트까지 증가할 것으로 예상됩니다.그 결과 플래시 메모리의 면적 비트 밀도는 FeRAM보다 훨씬 높아 플래시 메모리의 비트당 비용은 FeRAM보다 훨씬 낮다.

FeRAM 어레이의 밀도는 FeRAM 주조 공장 프로세스 기술과 셀 구조의 개선으로 증가할 수 있습니다. 예를 들어, 셀 풋프린트 면적을 줄이기 위한 수직 캐패시터 구조(D램과 동일한 방식)의 개발입니다.그러나 셀 크기를 줄이면 데이터 신호가 너무 약해져 감지할 수 없게 될 수 있습니다.2005년, Ramtron 부문(지만 제한하지 않는)전기 meters,[23]자동차(예를 들어 블랙 박스 스마트 에어 백들), 사업 기계(예를 들어 프린터, 서버 디스크 컨트롤러), 계측, 의료 장비 등 산업. 이런, 라디오 주파수 식별 등 다양한에서 FeRAM 제품의 상당한 매출 보도했다. 태그s. MRAM과 같은 기타 신흥 NVRAM은 FeRAM과 경쟁하여 유사한 틈새 시장에 진입하려고 할 수 있습니다.

Texas Instruments는 기존 CMOS 반도체 제조 과정에서 두 가지 마스킹[citation needed] 공정을 추가로 사용해 FeRAM 셀을 내장할 수 있음을 입증했다.플래시에는 보통 9개의 마스크가 필요합니다.이를 통해 예를 들어 FeRAM을 마이크로컨트롤러에 통합함으로써 프로세스를 간소화함으로써 비용을 절감할 수 있습니다.그러나 FeRAM을 만드는 데 사용되는 재료는 CMOS 집적회로 제조에서 일반적으로 사용되지 않습니다.PZT 강유전체층과 전극에 사용되는 귀금속 모두 CMOS 공정 적합성과 오염 문제를 제기합니다.Texas Instruments는 새로운 FRAM [24]시리즈의 MSP430 마이크로 컨트롤러에 대량의 FRAM 메모리를 통합했습니다.

용량 스케줄

2021년 현재, 스토리지 크기(밀도)[25]에서 메모리가 16Mb 이하인 칩을 판매하는 공급업체는 다양했습니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ "FRAM technology". Cypress semiconductos.
  2. ^ "FeTRAM: memória não-volátil consome 99% menos energia". 29 September 2011.
  3. ^ https://www.fujitsu.com/us/Images/MB85R4001A-DS501-00005-3v0-E.pdf[베어 URL PDF]
  4. ^ a b c "CY15B116QI Data Sheet". Cypress Semiconductors. p. 19.
  5. ^ 더들리 A.Buck, "디지털 정보 스토리지 및 스위칭을 위한 전자강화"보고서 R-212, MIT, 1952년 6월
  6. ^ Ridenour, Louis N. (June 1955). "Computer Memories". Scientific American: 92. Archived from the original on 2016-08-22. Retrieved 2016-08-22.
  7. ^ "1970: Semiconductors compete with magnetic cores". Computer History Museum. Retrieved 19 June 2019.
  8. ^ 옵티컬 어드레싱된 강유전체 메모리와 비파괴 판독치 2009-04-14년 웨이백 머신 아카이브
  9. ^ a b Scott, J.F. (2003). "Nano-Ferroelectrics". In Tsakalakos, Thomas; Ovid'ko, Ilya A.; Vasudevan, Asuri K. (eds.). Nanostructures: Synthesis, Functional Properties and Application. Springer Science & Business Media. pp. 583-600 (584-5, 597). ISBN 9789400710191.
  10. ^ "History: 1990s". SK Hynix. Retrieved 6 July 2019.
  11. ^ "Cypress Semiconductor completes Ramtron acquisition - Denver Business Journal". Archived from the original on 2012-11-30.
  12. ^ a b 개별 단결정 BaTiO3 나노와이어의 강유전체 상전이 웨이백 머신에 2010-06-15 아카이브되었습니다.관련 보도 자료도 참조하십시오.
  13. ^ Junquera and Ghosez, Nature, 2003, DOI 10.1038/nature01501
  14. ^ TN-47-16: 고밀도 DDR2 메모리를 위한 설계 2006-09-20 웨이백 머신에 아카이브
  15. ^ "FRAM - Magnetic field Immunity". Cypress Semiconductors.
  16. ^ Lee, Dong-Jae; Seok, Yong-Sik; Choi, Do-Chan; Lee, Jae-Hyeong; Kim, Young-Rae; Kim, Hyeun-Su; Jun, Dong-Soo; Kwon, Oh-Hyun (1 June 1992). "A 35 ns 64 Mb DRAM using on-chip boosted power supply". 1992 Symposium on VLSI Circuits Digest of Technical Papers. pp. 64–65. doi:10.1109/VLSIC.1992.229238. ISBN 978-0-7803-0701-8. S2CID 62372447 – via IEEE Xplore.
  17. ^ "FRAM technology brief". Cypress Semiconductors.
  18. ^ https://site.ieee.org/pikespeak/files/2020/06/Non-Volatile-RAM-Review-ECEN-5823.pdf[베어 URL PDF]
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  20. ^ "FRAM". Cypress Semiconductors.
  21. ^ "StackPath".
  22. ^ "Energy comparison between FRAM and EEPROM". Cypress Semiconductors.
  23. ^ "User Manual: Single phase, single rate, Credit Meter". Ampy Automation Ltd. The FRAM is guaranteed for a minimum of 10,000,000,000 write cycles.
  24. ^ "FRAM – Ultra-Low-Power Embedded Memory". Texas Instruments.
  25. ^ AG, Infineon Technologies. "F-RAM (Ferroelectric RAM) - Infineon Technologies". www.infineon.com. Retrieved 2021-12-18.

외부 링크

IC칩