Ramtron: новые продукты с FRAM памятью Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

Ramtron:

новые продукты с F-RAM-памятью

Илья ЗАЙЦЕВ

ramtron@eltech.spb.ru

Внедрять новое в условиях кризиса может показаться рискованным делом. Но для активных кризис — это повод находить новые возможности. И молодые компании, и те, что «с историей», могут использовать это трудное время так, чтобы подойти к неизбежному периоду роста с новыми, конкурентоспособными технологиями и изделиями.

Рис. 1. Ячейка F-RAM по технологическому процессу 130 нм со стековой архитектурой

Компания Ramtron, автор технологии энергонезависимой ферроэлектричес-кой памяти с произвольным доступом, подошла к началу 2009 года с целым рядом новых продуктов. С ними наши разработчики получают большее быстродействие, большие объемы памяти, меньшее энергопотребление и расширенную функциональность.

Ramtron производит 4 основных семейства продуктов, основанных на технологии F-RAM:

• микросхемы памяти;

• многофункциональные ИС;

• микроконтроллеры 8051;

• F-RAM-триггеры.

В 2008 году существенно пополнились семейства микросхем памяти и многофункциональных интегрированных компонентов серии Processor Companion. О новинках в семействе Processor Companion — серии FM3127x и ее отличиях от «предшественницы», серии FM31xx — подробно рассказано в [1]. Отдельного рассмотрения заслуживает Event Data Recorder FM6124 [2] — специализированная многофункциональная ИС для регистрации внешних событий и времени их возникновения по 12 независимым каналам. Но автор в этой статье ограничился обзором новых компонентов в семействе микросхем памяти.

Для Ramtron увеличение плотности массива ферроэлектрической памяти — стратегическое направление развития технологии F-RAM. К наступившему году Ramtron уже внедрил в массовое производство технологию с размером элементов 130 нанометров и стековой архитектурой.

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. С использованием этого достижения Ramtron планирует производить в скором времени микросхемы памяти с объемом массива до 8-16 Мбит.

Стековая архитектура позволяет создавать узлы ИС, более компактные в проекции на плоскость. Эта архитектура также более технологична в производстве именно F-RAM.

Трудность и особенность производства Б-ИЛМ заключается в том, что при изготовлении элементов ИС (МОП-транзисто-ров, горизонтальных и вертикальных соединений, ферроэлектрических конденсаторов) применяются плохо совмещаемые материалы.

Инженеры-технологи микроэлектронного производства называют подобные процессы «грязными», не имея в виду возможный вред окружающей среде: для полупроводника любой другой материал является примесью, меняющей его свойства, и может испортить все микроэлектронное изделие, если останется в «неположенном» месте кристалла.

Стековая архитектура решает эту проблему: объемная структура создается за несколько этапов, послойно. Каждый созданный слой защищается изолирующим покрытием.

Таким образом, существенно снижается вероятность взаимного проникновения несовместимых материалов.

В семействе микросхем памяти Б-ИЛМ Иат^оп выпускает ИС с интерфейсами 8/16 бит, 12С и вР1. В первую очередь хочется отметить разработку 2008 года — низковольтные ИС Б-ИЛМ.

F-RAM для низкого напряжения питания

Новые серии микросхем получили в наименовании индекс V. Их основная особенность — способность работать при напряжении питания от 2,0 В. Низковольтные Б-ИЛМ представлены со всеми типами интерфейсов. В таблице 1 приведен перечень новых микросхем и их основные параметры.

Таблица 1. Низковольтные F-RAM

Наименование Интерфейс Объем Р^АМ Быстродействие Ресурс Напряжение питания, В Типы корпусов Статус производства

FM28V020 8 бит 32 кбайт 33 МГц (60 нс) 100 трлн циклов SOIC28 разработка

TSOP32 разработка

FM28V050 64 кбайт Нет данных разработка

FM28V100 128 кбайт SOIC32 разработка

TSOP32 в производстве

FM24V(R,N)05 512 кбит 2,0-3,6 образцы

FM24V(R,N)10 I2C 1 Мбит 3,4 МГц образцы

FM24V(R,N)02 256 кбит SOIC8 образцы

FM25V(R,N)05 512 кбит TDFN 4,5x4 мм в производстве

FM25V(R,N)10 SPI 1 Мбит 40 МГц в производстве

FM25V(R,N)02 256 кбит образцы

Таблица 2. Микросхемы F-RAM емкостью 2 и 4 Мбит

Наименование Интерфейс Объем Р-ММ Быстродействие Ресурс Напряжение питания, В Тип корпуса Статус производства

FM21L16 8/16 128 кбайтх16 60 нс 100 трлн 2,7-3,6 TSOPII-44 в производстве

FM22L16 256 кбайтх16 55 нс 100 трлн 2,7-3,6 TSOPII-44 в производстве

FM22LD16 256 кбайтх16 55 нс 100 трлн 2,7-3,6 FBGA-48 образцы

FM25H20 SPI 2 Мбит 40 МГц 100 трлн 2,7-3,6 TDFN-8 в производстве

FM25L512 512 кбит 20 МГц неогр. 3,0-3,6 TDFN-8 в производстве

FM25V(R,N)05 512 кбит 40 МГц 100 трлн 2,0-3,6 SOIC-8 в производстве

FM25V(R,N)10 1 Мбит 40 МГц 100 трлн 2,0-3,6 SOIC-8 в производстве

FM24V(R,N)05 I2C 512 кбит 3,4 МГц 100 трлн 2,0-3,6 SOIC-8 образцы

FM24V(R,N)10 1 Мбит 3,4 МГц 100 трлн 2,0-3,6 SOIC-8 образцы

FM24C512 512 кбит 1 МГц 10 млрд 4,5-5,5 SOIC-8 в производстве

Новым свойством F-RAM V-серий является наличие функции Device-ID, которая идентифицирует производителя, объем массива, наименование и модификацию прибора. Многие производители микросхем предусматривают наличие такой функции. Она служит, с одной стороны, для защиты от контрафактной продукции, а с другой — для использования предоставляемых ею данных встроенным программным обеспечением (ПО). Такое ПО может быть единым для различных модификаций проектируемого устройства и делает более простым удаленное обновление.

F-RAM V-серий с последовательными интерфейсами SPI и I2C выпускаются с двумя дополнительными опциями: индекс R в наименовании означает наличие встроенной функции Reset, а индекс N — наличие программируемого при производстве массива из 8 байт, в которых хранится уникальный серийный номер микросхемы. Причем два старших байта массива могут быть запрограммированы производителем по заказу потребителя, а младший байт содержит код CRC — контрольную сумму этого блока.

Следует также отметить повышенное быстродействие последовательных F-RAM новой серии: тактовые частоты для FM25Vxx (SPI) могут достигать 40 МГц, независимо от типа операции. До сих пор только один SPI-прибор Ramtron мог работать на такой высокой частоте — 2-мегабитная SPI FM25H20, поставляемая уже около полутора лет. А для микросхем V-серии с интерфейсом I2C FM24Vxx максимальная тактовая частота составляет 3,4 МГц. Это предел, декларированный стандартом интерфейса I2C.

Энергопотребление микросхем новой серии также стало меньше, чем это было возможно в продукции старшего поколения: на максимальной тактовой частоте 40 МГц (для FM25Vxx) оно не превышает 1,5 мА при 3,3 В. А для ИС FM28V100 с параллельным интерфейсом — не более 7 мА при 3,3 В.

Хорошая новость для производителей приборов учета расхода ресурсов и регистраторов

Производители приборов регистрации и учета расхода ресурсов (электроэнергии, воды, газа, тепла) в предыдущие годы отдавали наибольшее предпочтение микросхемам F-RAM FM24C256. 32 кбайт энергонезависимой памяти с произвольным доступом и простой интерфейс I2C, легко сопрягаемый с подавляющим большинством 8-разрядных микроконтроллеров, наилучшим образом отвечали технико-экономическим требованиям к приборам этого класса. Миллионы счетчиков с их применением были выпущены в России в период с 2002 года по настоящее время.

Но все меньше и меньше становится устройств с питанием 5 В. Их вытесняют низковольтные приборы, которые потребляют

меньше энергии, работают на более высоких тактовых частотах, для них становится все больше сочетаемых по напряжению микросхем меньшей стоимости.

Производство счетчиков является массовым, его рентабельность очень чувствительна к стоимости комплектующих. До сих пор в этой области применялись решения с наименьшей стоимостью и сложностью, которые обеспечивались 5-вольтовыми микросхемами. Низковольтные решения использовались, преимущественно, в более сложных и дорогих промышленных приборах учета с применением SPI F-RAM FM25L256. Однако в последние годы объем производства и ассортимент низковольтных микросхем стали существенно больше, чем тех, что выпускаются для диапазона питания 5 В, а их стоимость снизилась.

Отвечая назревшей потребности, Ramtron выпустила 3-вольтовую F-RAM FM24L256 с интерфейсом I2C, объемом массива 256 кбит и неограниченным ресурсом циклов перезаписи. Она может служить прямой аппаратной заменой для стандартных I2C EEPROM, предоставляя при этом существенно лучшие параметры по быстродействию, надежности, долговечности и энергопотреблению. А также может заменить свою успешную 5-воль-товую «предшественницу» FM24C256 в разработках, модернизируемых к более низкому напряжению питания.

Рекордсмены по объему F-RAM

Самые «емкие» на данный момент микросхемы F-RAM с параллельным интерфейсом содержат массив памяти 2 и 4 Мбит, а с последовательным — 0,5; 1 и 2 Мбит. В таблице 2 приведен их перечень и основные характеристики.

Конфигурация выводов F-RAM с параллельным интерфейсом соответствует стандартному расположению выводов статической памяти SRAM (рис. 2). Это позволяет заменять аналогичные микросхемы статической памяти или памяти с батарейным резервным питанием BBSRAM (Battery Backed SRAM). Последний пример применения F-RAM вместо BBSRAM наиболее эффективен, поскольку F-RAM в 2-3 раза дешевле, а по совокупности параметров надежности и долговечности многократно превосходит BBSRAM.

Рис. 2. Внешний вид микросхем Ramtron: а) FM22L16; б) FM22LD16

Еще одна особенность «больших» Е-ИЛМ с параллельным интерфейсом предопределила их широкое применение в криптографии, телекоммуникациях, одноплатных промышленных компьютерах и микропотребляющих сложных автономных контроллерах. Для большинства разработчиков оказалась весьма востребованной возможность хранить в одной микросхеме одновременно постоянную и оперативную информацию без риска случайного искажения. Такую возможность предоставляют параллельные Е-ИЛМ с функцией поблочной защиты от случайной модификации.

Массив памяти Е-ИЛМ в ЕМ28У100, ЕМ2хЬ(Э)16 разделен на 8 блоков, каждый из которых может быть программно защищен от случайной модификации (рис. 3).

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,

А17:0

•п ^

СЕ '

0Е_!

UB, LB [

_2| zz W

т О — 32Кх16 32Кх16

А(16:3) с; \о X аг О . 32Кх16 32Кх16

к •

О. 32Кх16 32Кх16

а

аг

32Кх16 32Кх16

А(2:0) IIII •• •• IIII

Декодер колонок

Регистр ввода/вывода Шинный формирователь

ip

с го ш != гО ^ Q. =

Е °-

>* О гб ь

* 5

DQ 15:0

Рис. 3. Структурная схема Р-ВДМ РМ22И6

Примечание. Структурная схема низковольтной РМ28У100 отличается 8-разрядной шиной данных и некоторыми функциями блока управления.

в финале алгоритма, вновь блокирует регистр от случайного доступа. Таким образом, в одной микросхеме Б-ИЛМ может храниться как постоянная (коды программ, таблицы преобразования или т. п.), так и оперативная информация.

Для надежной сохранности данных в РМ221Л6 и БМ21Ь16 встроен монитор питания, блокирующий доступ к массиву при низком напряжении питания. Это проблема, актуальная 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 монито-

ры питания и супервизоры. Однако, как показывает опыт многих инженеров, не всегда удается избежать искажения данных в ЗУ, причиной которого является некорректный доступ при низком напряжении. Поэтому дополнительный рубеж защиты данных в БМ22Ь16 и БМ21Ь16 увеличивает надежность сохранности информации.

Шина данных БМ22Ь16 и БМ21Ь16 может быть как 16-, так и 8-разрядной. Для управления разрядностью интерфейса служат входы /иВ и /ЬВ. Они определяют доступ к старшей или 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. 4. В этом случае объединенные выводы иВ/ЬВ могут рассматриваться и использоваться как дополнительная линия адреса.

Высокое быстродействие и энергонезависимость Б-ИЛМ с параллельным 16-разрядным

Рис. 4. Подключение 16-разрядных F-RAM к 8-разрядной шине данных

интерфейсом (FM21(22)L16) сделали эффективным использование этих микросхем в качестве универсальной памяти в одноплатных промышленных компьютерах. В одном из примеров применения (серия модулей в формате PC-104 active104, разработанных немецкой компанией fimicro (www.fimicro.com)) на F-RAM возложена функция хранения часто изменяемых параметров коммуникационных каналов, фреймов данных обмена и программных модулей операционной системы. Возможность сохранения данных «на лету» при внезапном прерывании питания обеспечивает высокую скорость восстановления каналов и предотвращение потери информации. В этой разработке F-RAM заменила собой одновременно три типа полупроводниковой памяти — Flash, SRAM и BB-SRAM.

Следующей версией таких F-RAM для применения в связи и телекоммуникациях, видимо, станут микросхемы со встроенной функцией криптографической защиты данных. Можно также ожидать уже в наступившем году появления параллельной F-RAM с объемом массива 8 Мбит — FM23xxx с разрядностью интерфейса 16 и 32 линии.

Заключение

В предложенной статье освещены не все особенности и преимущества новых приборов. Например, не упомянуто о режиме микропотребления ZZ или о быстром пакетном режиме обращения, заложенных в микросхемах FM2xL16. Уже более 10 лет технология F-RAM и продукция Ramtron показывают примеры успешного внедрения и быстрого распространения. Пусть этот факт послужит поводом ознакомиться с оригинальными описаниями продукции Ramtron и позволит найти новые идеи для разработок наших инженеров. ■

Литература

1. Processor Companion фирмы Ramtron — рекомендации для разработчиков // Мир электронных компонентов. 2009. № 1.

2. http://www.ramtron.com/products/integrated/ specialty-product.aspx?id=101

3. http://www.ramtron.com/support/datasheets.aspx