Что же с памятью FRAM стало? Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Что же с памятью FRAM стало?

Илья ЗАЙЦЕВ

ilya.zc@eltech.spb.ru

В статье сделан обзор новых РРДМ-компонентов производства Ратггоп, вышедших или планируемых к выпуску в 2007 году, а также рассмотрены перспективы развития технологии РРДМ в ближайшем будущем.

Если не применять сочетание слов «победное шествие», чтобы охарактеризовать степень распространения и объемы применения ферроэлектрической памяти FRAM в различных областях промышленной и бытовой электроники, то можно, по крайней мере, отметить полное признание ее преимуществ каждым инженером, познакомившимся с ней. Количество проектов и объемы поставок микросхем FRAM в России растут ежемесячно. На протяжении многих лет развития производства и технологий корпорация Ramtron неоднократно удостаивалась наград от авторитетных аналитических агентств, отраслевых изданий за инновации и выдающийся рост объема поставок. Некоторые продукты Ramtron были особо отмечены в списках «100 лучших продуктов».

Ramtron продолжает развивать технологию и расширять ассортимент. Текущий 2007-й год ознаменовался целым перечнем новых FRAM-продуктов во всех линиях. К выпускаемым линиям (FRAM с интерфейсами I2C, SPI, 8 бит, микроконтроллеры Versa 8051 и семейство многофункциональных ИС для микроконтроллеров Processor Companion) добавилось еще одно семейство — энергонезависимые FRAM-триггеры.

Направления развития продукции Ramtron в 2007—2008 годах

Увеличение плотности массива памяти

Это одно из стратегических направлений Ramtron. В этом году программа разработки ярусной (стековой) архитектуры ячейки FRAM с проектной нормой 130 нм, начатая в 2004 году, достигла этапа внедрения в массовое производство (рис. 1). За счет размещения ферроэлектрического конденсатора непосредственно над стоком МОП-ключа, а не в одной плоскости с ним, удалось уменьшить размер ячейки памяти до 0,71 мкм2. Стековая архитектура более технологична в производстве, поскольку разнородные технологические процессы, применяемые при изготовлении элементов ИС (МОП-транзи-сторов, горизонтальных и вертикальных соединений, ферроэлектрических конденсаторов), разделены на несколько горизонтальных слоев. Тем самым обеспечивается лучшая защита сделанного в лежащем ниже слое при

1993-2001 гг 2Т/2С

2001-2006

1Т/1С

2006

1Т/1С

J

7

-Af

5Т"

Затвор

Ферроэлектрический конденсатор

Ферроэлектрический Затвор конденсатор

Оксид Сток Подложка затвора

Плоскостная

архитектура

Оксид Сток Подложка затвора

Ярусная архитектура (Stacked)

Проектная норма размера элемента

2002 г. 2003-2004 гг. 2004-2006 гг. 2006

0,5 мкм 0,35 мкм 0,18 мкм 0,13 мкм

Рис. 1. Этапы совершенствования архитектуры ячейки FRAM

каждом последующем этапе изготовления. В результате общее количество ИС на одной кремниевой пластине и количество годных резко увеличивается, что благоприятно отражается на цене готовой ИС.

В таблице 1 приведены краткие характеристики микросхем БИЛМ с увеличенным объемом массива.

Особое внимание хочется обратить на две новинки из приведенного перечня.

Микросхема БИЛМ РМ25И20-00 является одной из самых быстродействующих и ем-

ких среди ИС ЗУ с интерфейсом ЭРГ к настоящему моменту. К возможности работы на максимальной тактовой частоте до 40 МГц добавляются общие особенности БИЛМ — отсутствие задержки перед записью, в десятки раз меньшее энергопотребление и неограниченное количество циклов перезаписи по сравнению с ЕЕРИОМ. Для сравнения по энергопотреблению: для записи всего массива БМ25Ь256В потребуется около 50 нА-ч, в то время как для быстродействующей (20 МГц) новинки этого года Л1ше1 ЛТ25256Л необхо-

Таблица 1. Новые ИС FRAM сувеличенным объемом массива

Наименование Объем массива FRAM Интерфейс Тактовая частота, макс. МГц Питание, В Тип корпуса Статус

FM22L16-55-TG 4 Мбит 8/16 разр. 40 2,7-3,6 TSOP-II-44 образцы

FM25H20-DG 2 Мбит SPI 40 2,7-3,6 TDFN-8, 5x6 мм образцы

FM25L512-DG 512 кбит SPI 20 2,7-3,6 TDFN-8, 5x6 мм в производстве

FM24C512-G 512 кбит I2C 1 4,5-5,5 SOIC-8, Green в производстве

FM24CL256 256 кбит I2C 1 2,7-3,6 TBD 2008

ОЕ I

WE |

32 Кх16 32 Кх16

32 Кх16 32 Кх16

32 Кх16 32 Кх16

32 Кх16 32 Кх16

г л

А4 ГГ 1 44 “П А5

АЗ ПИ 2 43 “П А6

А2 ПИ 3 42 “П А7

А1 ПИ 4 41 “П ОЕ

АО ПИ 5 40 ZD ив

СЕ ПИ б 39 ZD LB

DQ0 □Z 7 38 ZD DQ15

DQ1 □= 8 37 ZD DQ14

DQ2 □= 9 36 ZD DQ13

DQ3 □= 10 35 ZD DQ12

VDd ПИ □= 11 12 FM22L 16-55-Т G 34 33 ZD ZD VSs

VSS ПИ 13 32 ZD DQ11

DQ5 □= 14 31 ZD DQ10

DQ6 ПИ 15 30 ZD DQ9

DQ7 ПИ 16 29 ZD DQ8

WE □Z 17 28 ZD ZZ

А17 ПИ 18 27 ZD А8

А16 ПИ 19 26 ZD А9

А15 LL 20 25 _и А10

А14 LL 21 И 24 _и А11

А13 ПИ ?? 23 ZD А1?

К У

Рис. 2. а) Структурная схема; б) конфигурация выводов FM22L16-55-TG; в) внешний вид

rD>°-* A{18)-* ► A(17:0)^J) /СЕ /ZZ 4 Mbit FRAM FM22L16 /ив DQ( 15:8) /LB А(17:0) DQ(7:0) ^IT”

Рис. 3. Подключение FM22L16 к 8-разрядной шине данных

димо порядка 8,5 мкА-ч, а для микропотребляющей Microchip 25AA(LC)256 — порядка 4,5 мкА-ч на вдвое меньшей тактовой частоте 10 МГц.

FRAM с параллельным 8/16-разрядным интерфейсом FM22L16-55-TG заслуживает внимания, поскольку это первая FRAM с объемом массива 4 Мбит (256 Кх16/512 Кх8), а также в силу своих функциональных особенностей. Структура FM22L16-55-TG представлена на рис. 2.

В FM22L16 применена структура массива, впервые опробованная в 1-Мбитной FM20L08. Массив разделен на 8 блоков по 32 Кх16, каждый из которых может быть программно защищен от случайной модификации. Алгоритм установки защиты представляет собой простую последовательность нескольких операций чтения и записи по фиксированным адресам. В процессе исполнения алгоритма встроенный блок менеджера доступа распознает тип операции, открывает доступ к регистру конфигурации защиты и, в финале алгоритма, вновь блокирует его от случайного доступа. Таким образом, в одной микросхеме FRAM может храниться как постоянная информация (коды программ, таблицы преобразования и т. п.), так и оперативная.

Для надежной сохранности данных в FM22L16 встроен монитор питания, блокирующий доступ к массиву при низком напряжении питания. Эта проблема актуальна для ЗУ любого типа (за исключением, может быть, только масочных ЗУ и ЗУ с пережигаемыми перемычками). Она заключается в том, что некоторые типы микроконтроллеров при низком напряжении питания выдают на шину неуправляемые, хаотически изменяющиеся импульсы, которые могут инициировать случайные операции записи в ЗУ и испортить хранящиеся данные. Обычно, для подавления этой особенности микроконтроллеров, используются внешние или встроенные в микроконтроллер мониторы питания и супер-

визоры. Однако, как показывает опыт многих инженеров, не всегда удается избежать порчи данных в ЗУ, причиной которой является несанкционированный доступ при низком напряжении. Поэтому дополнительный рубеж защиты данных в БИЛМ БМ22Ь16 и БМ20Ь08 увеличивает надежность сохранности информации.

Интерфейс данных БМ22Ь16 может быть как 16-, так и 8-разрядным. Для управления разрядностью интерфейса служат входы /ив и /ЬБ. Они определяют доступ к старшей и младшей половине 16-разрядного слова. Чтобы организовать 8-разрядный интерфейс микросхемы, надо подавать на эти входы взаимно инверсные уровни и объединить попарно выводы данных 00-07 и 08-015, как показано на рис. 3.

Новые типы малогабаритных корпусов

Многие преимущества БИЛМ, такие как энергонезависимость, неограниченное количество циклов перезаписи, низкое энергопотребление и возможность хранения постоянной и оперативной информации в одной микросхеме, наиболее ярко раскрываются в портативной, мобильной технике и автономных удаленных устройствах. Общим требованием подобных устройств является минимизация габаритов их компонентов. Поэтому компания Иат^оп начала выпус-

кать ИС FRAM и интегрированных устройств в корпусах с минимальными габаритами. Так, в серии низковольтных FRAM FM18L08 появилась версия в корпусе стандарта TSOP 8,0x11,8 мм с 32 выводами FM18L08-70-TG.

В последние два года многие производители ИС энергонезависимой памяти стали использовать новые стандартные типы малогабаритных корпусов DFN и TDFN (Thin Dual Flat No-lead: тонкий, с двумя рядами плоских контактов). По топологии посадочной площадки микросхемы Ramtron в новых корпусах TDFN аналогичны обычным типам SOIC, SSOP и TSOP, но имеют меньшую высоту корпуса и меньшую площадь контактов, располагающихся под корпусом по двум сторонам. Уменьшенная высота корпуса (0,75 мм) предоставляет лучшие возможности для использования таких ИС в узкопрофильных устройствах, например наладонных КПК, мобильных телефонах, терминалах и т. п.

На рис. 4 представлены внешний вид и габаритные размеры новых типов корпусов.

Сертификация FRAM

для автомобильных применений

Одно из наиболее широкомасштабных применений FRAM — в автомобильной электронике. Там она применяется в системах безопасности (подушки безопасности, антиблокировка колес, противоугонные системы),

0,75 ±0,05

0,75 ±0,05

-0,20 REF

_i—Lzuzi-izi-cdz^ -------------

0,65-|«-»| -| ^ Гб|

I I 0,25 ±0,05 I--1

0,95-

0,0 -0,05

-0,20 REF

i h i_1~ н

1 1 0,40 ±0,05 1-----1

- 0,20 REF

0,50 ±0,05

И

Рис. 4. а) Внешний вид корпусов типа TDFN;

б) габаритные размеры корпусов TDFN 3,0х6,4 мм ИС FM24CL16, FM25L04, FM25L16 и FM3130;

в) габаритные размеры корпусов TDFN 4,0х4,5 мм ИС FM24CL64, FM25L256B и FM25CL64;

г) габаритные размеры корпусов TDFN 5,0х6,0 мм ИС FM25L512 и FM25H20

Таблица 2. Сертификация ИС FRAM для автомобильных применений

Наименование Питание, В Объем массива FRAM Interface Grade 3 (+85 °С) Grade 1 (+125 °С)

FM25256B 4,0-5,5 256 кбит SPI 2008 -

FM25640 4,0-5,5 64 кбит SPI в производстве IV кв. 2007

FM25CL64 3,0-3,6 64 кбит SPI - в производстве

FM25C160 4,5-5,5 16 кбит SPI в производстве в производстве

FM25L16 3,0-3,6 16 кбит SPI IV кв. 2007 -

FM25040A 4,5-5,5 4 кбит SPI - III кв. 2007

FM25L04 3,0-3,6 4 кбит SPI - III кв. 2007

FM24CL16 3,0-3,6 16 кбит I2C в производстве -

FM24CL64 2,7-3,6 64 кбит I2C IV кв. 2007 -

управления движением (динамическая трансмиссия, измерение давления в шинах), в аудиосистемах и системах управления комфортом пассажиров (кондиционеры, форма кресел и т. п.). Поэтому инженеры Ramtron ведут работы по приведению параметров FRAM в соответствие с требованиями автомобильных стандартов.

В настоящее время рассматриваются две градации FRAM для автомобильных применений (рис. 5): AEC-Q100 Grade 1 (+125 °C) и Grade 3 (+85 °C), различающиеся допустимым диапазоном температур эксплуатации и уровнем надежности по наработке. В микросхемах FRAM для автомобильных применений используются CMOS-технология и материалы корпусов, отличные от FRAM промышленного применения. Сейчас FM25C160-GA и FM25CL64-GA, сертифицированные по AEC-Q100 Grade 1 (+125 °C), гарантированно обеспечивают более 9000 часов эксплуатации при экстремальной температуре + 125 °С. Сертифицированы на повышенную надежность и диапазон температур эксплуатации -40.. .+85 °С по требованиям AEC-Q100 Grade 3 (+85 °C) FM25640-G, FM25C160-G, FM24CL16-G. Перечень ИС FRAM, включенных в программу сертификации для автомобильных применений, приведен в таблице 2.

Улучшение характеристик FM25(L)256 Выпускавшиеся до текущего года FRAM с интерфейсом SPI и объемом массива 32 килобайта FM25256 (5В) и FM25L256 (3В) имели некоторые эксплуатационные ограничения: FM25256 рассчитана на тактовые частоты только до 15 МГц, FM25L256 была разделена на две версии — для диапазона температур от 0 до +70 °С (FM25L256-GC ) и от -25 до +85 °С (FM25L256-G). В этом году инженеры Ramtron переработали эти ИС. Новые версии получили наименование с буквенным индексом В — FM25256B-G и FM25L256B-G. Обе рассчитаны на эксплуатацию в полном промышленном диапазоне температур и на тактовых частотах до 20 МГц. Новые версии ИС имеют несколько больший ток потребления (например, максимальный ток потребления FM25L256B-G составляет 10 мА, а FM25L256-G — 5,0 мА), поэтому Ramtron пока продолжает поставки ИС без буквенного индекса В и рекомендует потребителям провести ревизию разработанных устройств в части, касающейся источников питания и расчетных эксплуатационных параметров.

Расширение семейства микроконтроллеров Versa

Микроконтроллеры семейства Versa с однотактовым быстрым ядром 8051 — это новая линия продуктов Ramtron. Сейчас в массовом производстве находятся VRS51L2070 и VRS51L3074. Микроконтроллеры аналогичны друг другу по составу функциональных узлов. VRS51L3074 отличается наличием встроенного массива FRAM объемом 8 кбайт

с тактовой частотой обращения до 20 МГц и неограниченным количеством циклов перезаписи.

Сравнительно молодое семейство Versa нашло применение в российских разработках в таких областях, как сложные приборы учета электроэнергии, в телекоммуникационных системах и приборных панелях систем промышленной автоматизации. Первый этап внедрения нового контроллера в российские разработки стал успешным благодаря нескольким основным причинам:

• хорошо известному российским разработчикам ядру 8051;

• высокому быстродействию — тактовая частота до 40 МГц, аппаратный умножитель/ делитель и регистр кольцевого сдвига;

• наличию встроенной FRAM как энергонезависимой памяти с произвольным доступом;

• минимальным затратам на модернизацию оправдавших себя разработок.

Однако архитектура микроконтроллеров семейства обладает большим потенциалом. Подробнее об особенностях и параметрах микроконтроллеров семейства Versa читайте в [1].

Новый в семействе Versa микроконтроллер VRS51L3174-40-QG является версией VRS51L3074-40-QG (также содержит блок FRAM 8 кбайт) в корпусе QFP-44, совместимом по выводам с промышленным стандартом 8051.

В ближайшей перспективе семейство Versa будет расширено за счет МК VRS51L3072 и VRS51L3078 с объемом встроенной FRAM 2 и 32 кбайта соответственно.

Долговременная стратегия развития семейства микроконтроллеров Ramtron ориентирована на три направления: микропотребляющие МК, МК со встроенными АЦП/ЦАП и узкоспециализированные МК.

Новое семейство энергонезависимых триггеров FM11xx

Подтверждая поговорку «Все новое — это хорошо забытое старое» и отвечая на возобновившийся интерес, Ramtron открывает семейство энергонезависимых триггеров FM11xx

Таблица 3. Краткие технические характеристики энергонезависимых FRAM-триггеров

Наиме- нование Кол-во триггеров Напря- жение Ток потребления, мкА при Fclk = 1 МГц

в корпусе питания, В Active Standby

FM1105 2 4,5-5,5 825 15

FM1106 2 2,7-3,6 550 5

FM1107 2 2,7-3,6 550 1

FM1110 4 4,5-5,5 1650 30

FM1112 4 2,7-3,6 1100 10

FM1114 4 2,7-3,6 1100 2

выхода Power-on, макс., нс

Рабочий

диапазон Тип температур, корпуса °С

-40...+85

QFN-16 4x4 мм

Время

Тактовая

частота,

макс.

МГц

распр

нс

выходов,

мА

10

500

50

(рис. 6). Дело в том, что до 2001 года Иат^оп выпускала энергонезависимые 8-разрядные регистры с защелкой РМ573 и РМ574, аналогичные по функциям регистрам из стандартной логики 74ххх573 и 74ххх574. ИС РМ573 и РМ574 даже вошли в перечень «100 лучших продуктов» 1999 года. Однако их применение не стало достаточно широким, и выпуск прекратился в 2001 году.

Серия РМ11хх отличается от РМ57х существенно лучшими параметрами и нацеленностью на гораздо более широкий спектр применений. К настоящему времени серия состоит из 6 наименований сдвоенных и счетверенных РИЛМ-триггеров. Краткие технические характеристики компонентов нового семейства приведены в таблице 3.

Основными особенностями новинок являются неограниченный ресурс циклов изменения состояния (5-вольтовые РМ1105 и БМ1110 обеспечивают более 1 трлн циклов), нагрузочная способность выходов до 10 мА, срок энергонезависимого сохранения состояния не менее 45 лет и восстановление сохраненного состояния при подаче питания менее чем за 500 нс.

РКЛМ-триггеры могут использоваться в цепях управления силовыми ключами, реле, светодиодной индикацией, для регистрации состояния и флагов ошибок, в энергонезависимых счетчиках, как замена механических Б1Р-переключателей и джамперов, для динамического сохранения конфигурации коммутационных систем и многого другого.

РИЛМ-триггеры могут обеспечивать энергонезависимое хранение и практически мгновенное восстановление конфигурации системы при включении питания без необходимости в операциях чтения из массива памяти, задействования вычислительной мощности и портов микроконтроллера, тем самым сокращают время инициализации и экономят программные ресурсы.

Они также предоставляют возможность программного управления установками без необходимости использования ручных операций и доступа внутрь приборов, устраняют избыточность любой ИС ЗУ, когда надо сохранить всего несколько битов или байт данных.

При возникновении сбоев в электропитании или в других случаях РИЛМ-триггеры

EN^

D0 ПИ

01 СЕ

vss ГГ

о

SOT-23-8

~~П VDD

ZD Q0 Ш 01

ID CLK

и

Рис. 7. Условное графическое обозначение сдвоенных FRAM-триггеров: а) FM1105, FM1106; б) FM1107

— DO FRAM

— D1 TT Q0

— D2 Q1

— D3 Q2

—с •CLK 03

— EN

Н

___ EN VDD NC NC

П)°2'-------^' V'

4 мм

ииии

^)D2

^)D3

IV,

Q3 CLK vss Q1

nnnn

DD

DO і

Q0(Z

D1

QFN-16 4x4 мм Вид снизу

0,75 мм

И

Рис. 8. Условное графическое обозначение счетверенных FRAM-триггеров: а) FM1110, FM1112; б) FM1114

позволяют провести диагностику системы по ее реальному последнему состоянию, например, с подачей питания на цепи диагностики отдельно от питания основной системы.

На рис. 7 и 8 показаны условные графические обозначения FRAM-триггеров и эскизы корпусов.

Расширение семейства Processor Companion

Это семейство многофункциональных ИС является одним из самых массово потребляемых продуктов Ramtron во всем мире, благодаря сочетанию функций, которые востребованы в большинстве микроконтроллерных систем. Одна из наиболее широких областей применения микросхем семейства в России — приборы учета расхода электроэнергии, воды, регистрации параметров потока на нефте- и газопроводах. Описание ИС семейства было опубликовано в [2].

Уже вышли в массовое производство FM3130 (версия FM3164 в уменьшенных корпусах SOIC и DFN с 8 выводами), а также положено начало новой серии в семействе Processor Companion — FM33xx с более быстрым последовательным интерфейсом SPI — до 16 МГц. Изменения коснулись также архитектуры новинок. Изменен состав функций и параметры таймера реального времени:

• добавлена функция Clock Alarm («Будильник») с точностью установки момента срабатывания 1 с;

• выход CAL/PFO, который в ИС серии FM31xx предыдущего поколения используется как выход калибровки часов в ходе наладки и как выход компаратора раннего обнаружения аварий по питанию, теперь используется для трех функций:

- выхода сигнала Clock Alarm;

- выхода сигнала 512 Гц в режиме калибровки;

- выхода прямоугольных импульсов с программируемой периодичностью: 1, 512, 4096 или 32 768 Гц;

• изменились требования к параметрам внешнего кварцевого резонатора — он должен быть рассчитан на емкостную нагрузку 12,5 пФ, что открывает возможности ис-

пользования гораздо более доступных резонаторов, поставляемых в массовых количествах многими производителями;

• диапазон напряжения питания FM3130, FM3316 и FM33256 составляет 2,7-3,6 В;

• изменены пороги срабатывания монитора питания — 2,6, 2,75, 2,9 и 3,0 В;

• в FM3130 функции монитора питания, компаратор PFI/PFO и счетчик внешних событий отсутствуют.

В ближайшее время намечено добавить еще несколько компонентов в семейство Processor Companion: таймер истечения времени, версии ИС семейства со встроенным кварцевым резонатором, а также специализированную для приборов учета расхода ресурсов версию ИС Processor Companion с термокомпенсированным часовым генератором. Около 8 новых ИС семейства должны выйти в IV квартале 2007 года — I и II квартале 2008 года.

Поддержка экологических инициатив

Перевод продукции на бессвинцовую технологию производства (в соответствии с директивой RoHS) Ramtron осуществляет совершенно безболезненно для постоянных потребителей — при необходимости возможна поставка обычных компонентов, содержащих свинец, со склада производителя или локального дистрибьютора, а также производство по специальному заказу. ■

Литература

1. Зайцев И. П. Микроконтроллеры 8051со встроенной памятью FRAM — классика и современность в одном кристалле // Компоненты и технологии. 2006. № 6.

2. Зайцев И. П. Какой компаньон нужен вашему контроллеру // Компоненты и технологии. 2004. №2.

3. Automotive Applications. http://www.ramtron.com/ doc/Applications/Automotive.asp

4. Intelligent data acquisition with Ramtron MCUs.

http://www.ramtron.com/doc/Products/

Microcontroller/

З. Nonvolatile State Saver. http://www.ramtron.com/ doc/Products/StateSaver/