fram是什么存儲(chǔ)器

　　鐵電存儲(chǔ)器（FRAM，ferroelectric RAM）是一種隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，它將動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（DRAM）的快速讀取和寫(xiě)入訪問(wèn)——它是個(gè)人電腦存儲(chǔ)中最常用的類(lèi)型——與在電源關(guān)掉后保留數(shù)據(jù)能力（就像其他穩(wěn)定的存儲(chǔ)設(shè)備一樣，如只讀存儲(chǔ)器和閃存）結(jié)合起來(lái)。

　　由于鐵電存儲(chǔ)器不像動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（DRAM）和靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（SRAM）一樣密集（即在同樣的空間中不能存儲(chǔ)像它們一樣多的數(shù)據(jù)），它很可能不能取代這些技術(shù)。然而，由于它能在非常低的電能需求下快速地存儲(chǔ)，它有望在消費(fèi)者的小型設(shè)備中得到廣泛地應(yīng)用，比如個(gè)人數(shù)字助理（PDA）、手機(jī)、功率表、智能卡以及安全系統(tǒng)。鐵電存儲(chǔ)器（FRAM）比閃存更快。在一些應(yīng)用上，它也有可能替代電可擦除只讀存儲(chǔ)器（EEPROM）和靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（SRAM），并成為未來(lái)的無(wú)線產(chǎn)品的關(guān)鍵元件。

　　FRAM技術(shù)特點(diǎn)

　　首先要說(shuō)明的是鐵電存儲(chǔ)器和浮動(dòng)?xùn)糯鎯?chǔ)器的技術(shù)差異?，F(xiàn)有閃存和EEPROM都是采用浮動(dòng)?xùn)偶夹g(shù)，浮動(dòng)?xùn)糯鎯?chǔ)單元包含一個(gè)電隔離門(mén)，浮動(dòng)?xùn)盼挥跇?biāo)準(zhǔn)控制柵的下面及通道層的上面。浮動(dòng)?xùn)攀怯梢粋€(gè)導(dǎo)電材料，通常是多芯片硅層形成的 （如圖2所示）。浮動(dòng)?xùn)糯鎯?chǔ)單元的信息存儲(chǔ)是通過(guò)保存浮動(dòng)?xùn)艃?nèi)的電荷而完成的。利用改變浮動(dòng)?xùn)糯鎯?chǔ)單元的電壓就能達(dá)到電荷添加或擦除的動(dòng)作，從而確定存儲(chǔ)單元是在 ”1”或“0” 的狀態(tài)。但是浮動(dòng)?xùn)偶夹g(shù)需使用電荷泵來(lái)產(chǎn)生高電壓，迫使電流通過(guò)柵氧化層而達(dá)到擦除的功能，因此需要5-10ms的擦寫(xiě)延遲。高寫(xiě)入功率和長(zhǎng)期的寫(xiě)操作會(huì)破壞浮動(dòng)?xùn)糯鎯?chǔ)單元，從而造成有限的擦寫(xiě)存儲(chǔ)次數(shù)（例如：閃存約十萬(wàn)次，而EEPROM則約1百萬(wàn)次）。

　　鐵電存儲(chǔ)器是一種特殊工藝的非易失性的存儲(chǔ)器，是采用人工合成的鉛鋯鈦（PZT） 材料形成存儲(chǔ)器結(jié)晶體，如圖3所示。當(dāng)一個(gè)電場(chǎng)被施加到鐵晶體管時(shí)，中心原子順著電場(chǎng)停在低能量狀態(tài)I位置，反之，當(dāng)電場(chǎng)反轉(zhuǎn)被施加到同一鐵晶體管時(shí)，中心原子順著電場(chǎng)的方向在晶體里移動(dòng)并停在另一低能量狀態(tài)II。大量中心原子在晶體單胞中移動(dòng)耦合形成鐵電疇，鐵電疇在電場(chǎng)作用下形成極化電荷。鐵電疇在電場(chǎng)下反轉(zhuǎn)所形成的極化電荷較高，鐵電疇在電場(chǎng)下無(wú)反轉(zhuǎn)所形成的極化電荷較低，這種鐵電材料的二元穩(wěn)定狀態(tài)使得鐵電可以作為存儲(chǔ)器。

　　特別是當(dāng)移去電場(chǎng)后，中心原子處于低能量狀態(tài)保持不動(dòng)，存儲(chǔ)器的狀態(tài)也得以保存不會(huì)消失，因此可利用鐵電疇在電場(chǎng)下反轉(zhuǎn)形成高極化電荷，或無(wú)反轉(zhuǎn)形成低極化電荷來(lái)判別存儲(chǔ)單元是在 ”1”或 “0” 狀態(tài)。鐵電疇的反轉(zhuǎn)不需要高電場(chǎng)，僅用一般的工作電壓就可以改變存儲(chǔ)單元是在 ”1”或 “0” 的狀態(tài)；也不需要電荷泵來(lái)產(chǎn)生高電壓數(shù)據(jù)擦除，因而沒(méi)有擦寫(xiě)延遲的現(xiàn)象。這種特性使鐵電存儲(chǔ)器在掉電后仍能夠繼續(xù)保存數(shù)據(jù)，寫(xiě)入速度快且具有無(wú)限次寫(xiě)入壽命，不容易寫(xiě)壞。所以，與閃存和EEPROM 等較早期的非易失性內(nèi)存技術(shù)比較，鐵電存儲(chǔ)器具有更高的寫(xiě)入速度和更長(zhǎng)的讀寫(xiě)壽命。

　　FRAM讀寫(xiě)操作

　　FRAM保存數(shù)據(jù)不是通過(guò)電容上的電荷，而是由存儲(chǔ)單元電容中鐵電晶體的中心原子位置進(jìn)行記錄。直接對(duì)中心原子的位置進(jìn)行檢測(cè)是不能實(shí)現(xiàn)的，實(shí)際的讀操作過(guò)程是：在存儲(chǔ)單元電容上施加一已知電場(chǎng)（即對(duì)電容充電），如果原來(lái)晶體的中心原子的位置與所施加的電場(chǎng)方向使中心原子要達(dá)到的位置相同，則中心原子不會(huì)移動(dòng)；若相反，則中心原子將越過(guò)晶體中間層的高能階到達(dá)另一位置，則在充電波形上就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)尖峰，即產(chǎn)生原子移動(dòng)的比沒(méi)有產(chǎn)生移動(dòng)的多了一個(gè)尖峰，把這個(gè)充電波形同參考位（確定且已知）的充電波形進(jìn)行比較，便可以判斷檢測(cè)的存儲(chǔ)單元中的內(nèi)容是“1”或“0”。

　　無(wú)論是2T2C還是1T1C的FRAM，對(duì)存儲(chǔ)單元進(jìn)行讀操作時(shí)，數(shù)據(jù)位狀態(tài)可能改變而參考位則不會(huì)改變（這是因?yàn)樽x操作施加的電場(chǎng)方向與原參考位中原子的位置相同）。由于讀操作可能導(dǎo)致存儲(chǔ)單元狀態(tài)的改變，需要電路自動(dòng)恢復(fù)其內(nèi)容，所以每個(gè)讀操作后面還伴隨一個(gè)“預(yù)充”（precharge）過(guò)程來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)位恢復(fù)，而參考位則不用恢復(fù)。晶體原子狀態(tài)的切換時(shí)間小于1ns，讀操作的時(shí)間小于70ns，加上“預(yù)充”時(shí)間60ns，一個(gè)完整的讀操作時(shí)間約為130ns。

　　寫(xiě)操作和讀操作十分類(lèi)似，只要施加所要方向的電場(chǎng)改變鐵電晶體的狀態(tài)就可以了，而無(wú)需進(jìn)行恢復(fù)。但是寫(xiě)操作仍要保留一個(gè)“預(yù)充”時(shí)間，所以總的時(shí)間與讀操作相同。FRAM的寫(xiě)操作與其它非易失性存儲(chǔ)器的寫(xiě)操作相比，速度要快得多，而且功耗小。
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