F-RAM: практический шаг к универсальной памяти Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

F-RAM: практический шаг к универсальной памяти

Илья ЗАЙЦЕВ

[email protected]

С освоением 130 нанометрового технологического процесса и выпуском микросхем Р-РДМ1 4 Мбит, корпорация Ратггоп опережает на несколько лет другие компании, которые внедряют альтернативные технологии энергонезависимой памяти с произвольным доступом (ЫУ-РДМ2), такие как М-РАМ или Р-РДМ. Производители одноплатных компьютеров и высокопроизводительных микроконтроллерных систем получили, наконец, универсальную память, проверенную временем, с высоким быстродействием, надежностью и с достаточным объемом массива Р-РДМ в одном кристалле.

Потребность в энергонезависимой памяти с произвольным доступом в цифровой технике существовала всегда. Однако, на протяжении десятков лет не было коммерчески доступной технологии массового производства таких запоминающих устройств. Разработчики аппаратного и программного обеспечения настолько привыкли разделять энергонезависимую и оперативную память, настолько много создано программ, закрепляющих такое разделение, что теперь, когда новые технологии одна за другой приносят желаемое, требуется перестройка конструкторского мышления.

Можно ожидать, что через 4-5 лет инженеры смогут выбирать NV-RAM среди множества приборов, произведенных по различным технологиям. К уже хорошо известной ферроэлектрической памяти F-RAM корпорации Ramtron добавятся микросхемы магниторезистивной памяти (Magnetoresistive RAM, M-RAM) и фазопеременной памяти (Phase-Change RAM, P-RAM), над разработкой и внедрением которых сейчас работает множество компаний во всем мире. Опираясь на известные особенности каждой из этих технологий, можно предположить, что они

будут применяться в различных, но частично пересекающихся областях.

Из новейших, пока еще не освоенных технологий наиболее близка к внедрению в массовое производство магниторезистивная память. Не углубляясь в физические принципы ее работы, можно выделить основные эксплуатационные особенности М-ИЛМ: практически неограниченное количество циклов перезаписи, сравнительно большой объем массива на одном кристалле, высокое быстродействие, сравнительно высокое энергопотребление. Кроме задач разработки и внедрения технологии массового производства М-ИЛМ, компании-производители должны решить технические проблемы М-ИЛМ, существующие сейчас:

• Ограниченный диапазон температур эксплуатации — предоставляемые сейчас образцы работают в диапазоне температур от 0 до 70 °С. Наиболее близка к решению этой проблемы компания Freescale — опубликована документация на микросхемы с диапазоном эксплуатационных температур от -40 до +105 °С.

• Высокое энергопотребление, в 4-5 раз превышающее потребление F-RAM того же объема; для М-ИЛМ объемом 4 Мбит ток потребления составляет порядка 55 мА при чтении и более 100 мА при записи, а в режиме ожидания— более 10 мА.

• Проблема сохранности данных в условиях воздействия электромагнитных помех с уровнем, обычным для промышленных объектов и приборов высокопроизводительной ВТ — первые образцы микросхем М-ИЛМ поставлялись потребителю в корпусах, оснащенных металлическими экра-

нами, без которых сохранность данных не гарантировалась.

Над внедрением технологии M-RAM сейчас работают такие гиганты полупроводниковой индустрии, как NEC, Hitachi, Toshiba, Freescale и целый ряд научно-исследовательских компаний.

Фазопеременная память P-RAM использует тот же принцип хранения, что и перезаписываемые компакт-диски — халькогенидные сплавы приобретают аморфное или кристаллическое состояние при определенных температурах нагрева. Только для считывания с компакт-дисков используется различие в отражательной способности аморфных и кристаллических участков поверхности, а в микросхемах памяти — различное электрическое сопротивление халькогенидных ячеек в разном фазовом состоянии. Ключевое преимущество P-RAM — очень высокая устойчивость к ионизирующим излучениям, что и позволило компании BAE Systems создать микросхемы памяти с устойчивостью 200 тысяч рад и даже 1 миллион рад для применения в военной авиации и космических аппаратах.

Второе перспективное преимущество P-RAM — минимальный размер ячейки, представляющей собой диод, к одному из электродов которого, как простой резистор, подключен халькогенидный столб. При такой архитектуре ячейки возможно построение массива памяти довольно большого размера на одном кристалле.

Над коммерциализацией P-RAM сейчас работают совместно Intel и ST-Microelectronics. Основные проблемы, которые должны решить разработчики перед внедрением P-RAM в массовое производство:

• диалектическое противоречие — разрушение информации при нагреве и необходимость в таких сплавах, которые меняли бы фазовое состояние при как можно более низкой температуре — для снижения длительности и тока записи;

1 Ранее в публикациях и документах для обозначения технологии и приборов ферроэлектрической памяти использовалась аббревиатура FRAM (без разделительного дефиса). С конца 2007 года Ramtron использует аббревиатуру F-RAM, чтобы дифференцироваться от названия американской компании FRAM, производящей фильтры различного назначения с 1934 года.

2 Аббревиатура NV-RAM (Non-Volatile Random Access Memory) привычно используется для обозначения модулей памяти, состоящих из микросхемы статического ОЗУ и литиевой батареи. В этой публикации NV-RAM используется в более полном смысле — для обозначения всего класса энергонезависимых запоминающих устройств с произвольным доступом.

1993-2001 гг.

2001-2006 г 1Т/1С

2006-

1Т/1С

Ч

Затвор

Ферроэлектрически й конденсатор

Ферроэлектрически й Затвор конденсатор

Плоскостная

архитектура

Ярусная архитектура (Stacked)

Проектная норма размера элемента

Рис. 1. Этапы совершенствования архитектуры ячейки F-RAM

• недостаточная разница сопротивлений сплава в аморфном и кристаллическом состоянии требует применения очень чувствительных схем сравнения для распознавания логического «0» и «1». Это снижает устойчивость работы микросхем в условиях электромагнитных помех;

• отвод тепла при интенсивных операциях записи.

• ресурс по количеству циклов перезаписи хотя и велик, но не достаточен для действительно произвольного обращения — 108-1010 циклов.

Перечисленные преимущества и особенности P-RAM и M-RAM позволяют предположить, что M-RAM найдет применение в стационарных высокопроизводительных устройствах (уже сейчас появились сообщения о прототипах коммерческих M-RAM на тактовые частоты до 250 МГц), требующих большого объема памяти и способных обеспечить довольно большую потребность M-RAM в энергии. Применение P-RAM, вероятно, будет лежать в тех областях, где интенсивность операций записи не будет столь велика и будет существенная потребность в стойкости к внешним воздействиям.

На фоне претендентов на звание универсальной памяти нового поколения технология F-RAM выглядит очень привлекательно в текущем состоянии и продолжает интенсивно развиваться:

• Применяемая сейчас технология позволяет производить F-RAM с объемом массива до 64 Мбит. Ramtron продолжает разработки, направленные на уменьшение топологического размера ячейки.

• На изменение логического состояния ячейки требуется менее 1 нс — существует большой потенциал для увеличения быстродействия F-RAM за счет применения более быстрых схем CMOS-обрамления массива.

• Для F-RAM свойственно низкое энергопотребление, одинаковое в режимах записи и чтения. На самых высоких тактовых частотах, доступных для выпускаемых сейчас микросхем F-RAM, ток потребления не превышает 25 мА в момент переключения фронтов. В периоды установившихся логических уровней ток потребления в несколько раз меньше. По сравнению с EEPROM или Flash, для записи полного массива микросхемы F-RAM требуется почти на 2 порядка меньше энергии источника питания.

• Информацию, хранящуюся в массиве F-RAM, очень сложно исказить внешними воздействиями, такими как электрические и магнитные поля, электромагнитные помехи, электростатические разряды. Например, чтобы изменить поляризацию ячейки F-RAM внешним электрическим полем, необходимо приложить непосредственно к корпусу микросхемы поле напряженностью 130 кВ. Все известные проблемы сохранности данных во F-RAM на практике проистекают из некорректной работы

внешних компонентов и недочетов в обеспечении ЭМС.

В 2007 году внедрена технология производства F-RAM с проектной нормой 130 нм и ярусной архитектурой ячейки памяти (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. Ярусная (стековая) архитектура более технологична в производстве, поскольку позволяет лучше изолировать друг от друга плохо совместимые между собой химические вещества и процессы, применяемые для изготовления элементов схемы на разных стадиях. В результате общее количество ИС на одной кремниевой пластине и количество годных резко увеличивается, что

благоприятно отражается на цене готовой микросхемы.

Первыми F-RAM, произведенными по технологическому процессу 130 нм, стали FM22L16-55-TG и FM21L16-60-TG с параллельным 8/16-разрядным интерфейсом, а также FM25H20-DG (2 Мбит) с интерфейсом вР1 40 МГц. FM25H20-DG пока еще официально не анонсирована, но заказ инженерных образцов со склада локальных дистрибьюторов возможен.

FM22L16 и FM21L16 одинаковы по структуре и функциональности, различаются только объемом массива — 4 и 2 Мбит соответственно (256x16/512x8 и 128x16/256x8). Структура FM22L16-55-TG представлена на рис. 2.

В FM2xL16 применена структура массива, впервые опробованная в 1-мегабитной

П А5 П А6 П А7 П ОЕ П UB П LB П DQ15 П DQ14 П DQ13 П DQ12 =DVss

nmvDo П DQ11 П DQ1Q П DQ9 П DQ8

muzz

П А8 П А9

HQA10

HDA11

HDA12

Рис. 2. Структурная схема и конфигурация выводов FM22L16-55-TG

32Кх 16 32Кх 16

32Кх 16 32Кх 16

32Кх 16 32Кх 16

32Кх 16 32К х 16

А(2:0)

СЕ |, ОЕ I WE I

UB.Lq,

шг

Декодер колонок

юл

Регистр ввода/вывода Шинный формирователь

М[п 1 44

АЗ UZ 2 43

А2 UZ 3 42

A1QZ 4 41

А0П 5 40

СЕ П 6 39

DQ0 П 7 38

DQ1QZ 8 37

DQ2[^ 9 36

РОЗГ^ 10 35

Vd □□= 11 FM22L16-55TG 34

VssD= 12 33

DQ4[^ 13 32

DQ5 П 14 31

DQ6[^ 15 30

DQ7[^ 16 29

WE П 17 28

A17 П 18 27

A16 П 19 26

A15 П 20 25

A14QZ 21 24

A13QZ 22 23

FM20L08. Массив разделен на 8 блоков по 32x16, каждый из которых может быть программно защищен от случайной модификации. Таким образом, в одной микросхеме F-RЛM может храниться как постоянная (коды программ, таблицы преобразования или т. п.), так и оперативная информация.

Алгоритм управления защитой представляет собой простую последовательность нескольких операций чтения и записи по заданным адресам. Функции управления защитой выполняет блок менеджера доступа (БМД), входящий в состав логики управления. В течение обычной работы БМД «наблюдает» за типами операций и адресами ячеек, к которым обращается внешнее устройство. Если в нескольких последовательных циклах чтения производится обращение к заранее заданной, установленной производителем, последовательности адресов, БМД «распознает» тип операции «модификация регистра защиты» и открывает к нему доступ для внешнего устройства. После модификации конфигурации защищаемых блоков БМД вновь блокирует его от случайного доступа.

Для надежной сохранности данных в FM2xL16 встроен монитор питания, блокирующий доступ к массиву при низком напряжении питания. Это проблема, актуальная для ЗУ любого типа (за исключением 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 этого эффекта используются внешние или встроенные в микроконтроллер мониторы питания и супервизоры. Однако, как показывает опыт многих инженеров, не всегда удается избежать искажения данных в ЗУ, причиной которого является несанкционированный доступ при низком напряжении. Поэтому дополнительный рубеж защиты данных в F-RЛM FM2xL16 и FM20L08 увеличивает надежность сохранности информации.

Интерфейс данных FM2xL16 может быть как 16-разрядным, так и 8-разрядным. Для управления разрядностью интерфейса служат входы /иВ и ^В. Они определяют доступ к старшей и младшей половине 16-разрядного слова как дополнительная линия адреса. Чтобы организовать 8-разрядный интерфейс, надо подавать на эти входы взаимно инверсные уровни и объединить попарно выводы данных D0-D7 и D8-D15, как показано на рис. 3.

По конфигурации выводов FM2xL16 совместимы с промышленным стандартом 8ИЛМ в корпусах Т80Р-П с 44 выводами и могут служить их аппаратной заменой. FM2xL16 поддерживают синхронный режим обмена с управлением по выводу /СЕ, а также асинхронный обмен с помощью простой смены адреса. В асинхронном режиме обеспечивается скорость обмена более 16 Мбайт

Г-0>->

А( 18)—I— ----->

А( 17:0) dj)

/СЕ

/WE

/ОЕ

/ив

/LB А(17:0)

/ZZ

4Mbit FRAM FM22L16

□Q(15:8) DQ(7:0)

> D(7:0)

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

в секунду, в синхронном — более 64 Мбайт в секунду.

Разработку FM2xL16 можно по праву назвать успешной. Благодаря многолетнему опыту Ramtron по развитию технологии и сотрудничеству с компанией Texas Instruments по интеграции с технологией CMOS 130 нм, эта разработка сразу привлекла широкое внимание. Начиная со второго квартала прошлого года компания Ramtron поставила тысячи микросхем, и до настоящего времени не было сделано сколько-нибудь существенных замечаний в работе инженерных образцов. В настоящее время производство FM2xL16 переходит в статус массового.

Почти одновременно с началом поставок инженерных образцов FM22L16 немецкая компания fimicro, являющаяся производителем одноплатных промышленных компьютеров (Single Board Computer, SBC), интеллектуальных модулей расширения ввода/вывода и программного обеспечения реального времени, анонсировала серию active104 в стандартном промышленном формате PC-104. Серия состоит из сетевых и клиентских модулей SBC (active104host Net и active104host Client) и интеллектуальных контроллеров расширения ввода/вывода active104 RAID, Ethernet и USB. Неотъемлемой частью каждого модуля серии является F-RAM, используемая как массив универсальной памяти для хранения постоянной и оперативной информации.

Инженеры fimicro выбрали F-RAM в качестве альтернативы менее надежной Flash и для замены SRAM и EEPROM. Особенности F-RAM, такие как возможность записи без задержки, практически неограниченный ресурс по количеству циклов перезаписи, энергонезависимость и сверхмалое энергопотребление делают серию active104, по мнению специалистов fimicro, уникальной на рынке PC-104-совместимых устройств.

Интеллектуальные модули расширения ввода/вывода active104 поддерживают функцию горячей замены. Использование F-RAM позволило упростить реализацию этой функции, сделать ее более надежной и безопасной с точки зрения ЭМС, чем при использовании любого другого типа памяти.

На каждом модуле active104 установлен массив F-RAM общей емкостью 2 Мбайт, состоящий из 4 микросхем FM22L16. В разработке находятся версии модулей со сменными ми-

кросборками F-RAM различной емкости, которые позволят предоставить конечному пользователю возможность модернизации системы «на месте».

Массив F-RAM используется для хранения базовой системы ввода/вывода (BIOS), операционной системы реального времени aerolithe OSx86 RTOS, дополнительного и прикладного программного обеспечения, а также для критических системных данных, различных для модулей каждого типа.

Например, в модулях active104 RAID, использующих RAID-массив на NAND Flash накопителях, часть массива F-RAM используется для хранения таблицы размещения файлов, контрольной информации, а также в качестве энергонезависимого буфера переносимых данных.

В модулях active104 Ethernet и USB часть массива F-RAM используется для буферизации пакетов данных, а также для фиксации статуса обмена в каждый момент времени. Это позволяет сохранять «на лету» полную информацию о состоянии канала при внезапном пропадании питания и возобновлять обмен с точки останова, как только питание будет восстановлено.

В компании fimicro высоко оценивают преимущества, привнесенные F-RAM в их продукцию. Симон Фишер, управляющий партнер fimicro, так отозвался о применении F-RAM: «Комплексное использование F-RAM как технологии энергонезависимой памяти во всех аппаратных средствах fimicro увеличивает надежность и запас прочности наших изделий».

Так как основные этапы внедрения в производство технологии F-RAM 130 нм уже пройдены, можно ожидать, что уже в текущем году Ramtron существенно расширит линейку F-RAM большой емкости. По уровню стоимости «емкие» F-RAM сейчас успешно конкурируют с первыми продуктами M-RAM, но Ramtron планирует снижение цен в этом году с началом их массового производства. Это укрепит конкурентоспособность технологии и однозначно окажет благотворное влияние на широкое распространение F-RAM во многих областях применения. ■

Литература

1. Технические описания F-RAM FM21L16 иРЖ^16 http://www.ramtron.com/lib/literature/datasheets/ FM21L16ds_rL1.pdf

http://www.ramtron.com/lib/literature/datasheets/

FM22L16ds_rL2.pdf

2. Серия одноплатных компьютеров и модулей расширения ввода/вывода active104 компании fimicro http://www.fimicro.com/en/products/hardware/ start.htm

3. Магниторезистивная память M-RAM Freescale http://www.freescale.com/webapp/sps/site/ overview.jsp?nodeId=015424

4. О перспективной технологии P-RAM http://www.memorystrategies.com/report/focused/ phasechange.htm