環保存儲：Ｆ－ＲＡＭ

摘要：本文介紹了新的環保存儲器件F-RAMZ(鐵電存儲器)的數據指標，并與其他主流存儲進行了比較。

關鍵詞：存儲器；非易失性；F-RAM；Ramtron

設計工程師正努力不懈地降低產品的功耗，這樣產品在整個壽命周期(比如說25年)只需要一個電池便可。目前的發展趨勢是：超低功耗正為幾乎不需要電池的新產品種類鋪路，這些新產品是以“能量收成”的概念為基礎(即從環境中取得能量來為產品供電)。

這兩種類別的關鍵是產品能夠以非常低的功耗進入休眠狀態，其功耗非常低，就像設備基本上關機，因為即使休眠也會消耗太多的功率。只要產品在重啟時能夠記憶其狀態，關機就沒有問題。因此，需要具有較低工作電流與高寫入耐用性的非易失性存儲器。具備這些特點的存儲器，就可以生產出絕對不需要插電及更換新電池的設備。

低功耗存儲器

關注這些存儲器要求，我們將看看非易失性串行存儲器技術，即用于存儲配置數據的通用存儲器結構的功耗。此處比較了F-RAM(鐵電存儲器)、EEPROM與閃存三種技術。因為閃存只能使用串行外設接口(SPI)，我們將它與SPI版本的EEPROM與F-RAM進行比較。

為了此項研究，我們計算和比較了每種存儲器技術執行寫入與擦除所耗用的能量。能量是一種很好的比較方法，因為它考慮了任務的持續時間及執行任務所需的電能。

能量(焦耳)=功率(瓦特)×時間(秒)

使用公式：功率=伏特×安培，來代替功率，我們得到：

能量=伏特×安培×時間

我們選擇對寫入與擦除進行比較，因為這三種存儲器技術在這些任務中差別最大，而讀入過程即使在工作速度、電壓及電流消耗不同時，對每種技術來說卻都大致相同。有人可能認為，串行接口的速度在此處起到重要的作用，然而，當以不同的SPI總線速度對相同部分進行重復計算時，所消耗的總能量大致保持不變(我相信愛因斯坦的能量守恒定律在此處適用)。

為了消除任何與計算SPI總線開銷有關的問題(比如發布命令與建立地址)，我們采用了可觀的數據量(準確地說是64Kb)進行比較。此外，EEPROM與閃存技術采用頁面緩沖器，讓更大數量的數據可同時寫入，從而加快寫入過程。當數據量是頁的整數時，這些頁的效率最高。F-RAM沒有頁面緩沖器，因為它能夠以與SPI總線輸送數據同樣快的速度寫入數據。

F-RAM與EEPROM沒有擦除時間，閃存則需要相當長的時間來擦除扇區。因此，我們將比較它需要多長時間來擦除64Kb數據及寫入新數據。

最后，必須知道制造商提到功耗時并不總是使用一致的標準。某些設備可能指定在Vcc=1.8V下工作，但表1提供的工作電流數值卻是Vcc=2.5V。此處所用的數值是資料表中規定的最差情況數值。

串行數據閃存擦除頁/扇區時，需要耗用大量的能量，因為這些操作需時較長。EEPROM與閃存使用輪詢技術(pollingtechniques)，而不是等待一段最差情況所需的時間來完成操作，從而減少了兩者的能量要求。資料表沒有清楚顯示當寫入/擦除完成時，寫入/擦除周期中消耗的電流是否自動逐步減少或是否繼續。

F-RAM的工作原理

F-RAM技術的核心是集成在電容器中的微小鐵電晶體，這些晶體使F-RAM可像快速非易失性RAM那樣工作。鐵電晶體有兩個穩定的電極化狀態，施加電場后，兩個狀態間可以轉換。內部電路可檢測出這種電極化的方向，分別是高和低邏輯狀態。每個極化取向都是穩定的，即使在電場移除后仍保持不變，因此能將數據保存在存儲器中而不需要定期更新。F-RAM是通過在CMOS基層上覆蓋鐵電薄膜，并將其夾在兩個電極間而構成。這個工藝通過金屬互聯和鈍化完成。

F-RAM技術從問世以來已發展得相當成熟。最初的F-RAM器件必須是兩個晶體管或兩個電容組成(2T/2C)的存儲構造，而這種結構的單元尺寸較大。隨著鐵電材料和工藝技術不斷進步，使得鐵電存儲陣列中各個單元就不再需要內部參考電容。這種由一個晶體管和一個電容組成的存儲單元與DRAM一樣，僅用一個電容就可為存儲陣列內存提供公共參考，從而有效地減小了所需的存儲單元尺寸，即約為原來2T/2C單元的一半。這種單元構造大大提高了裸片含量，并降低了F-RAM存儲器產品的制造成本。

為提高存儲單元的成本效益，F-RAM工藝也已經向更小的技術節點發展。較之于Ramtron在其0.5gs生產線上生產早期的F-RAM產品，采用0.35gs工藝后的產品操作功耗降低了，而單位晶圓上的裸片含量卻同時增加。采用德州儀器的130nm工藝后，F-RAM在器件密度方面原本的工藝限制已被有效地消除，為高密度F-RAM器件的生產奠下了新的基準。