Cypress的铁电存储器（FRAM）原理及应用比较

摘要：介绍铁电存储器（FRAM）的一般要领和基本原理，详细分析其读写操作过程及时序。将FRAM与其它存储器进行比较，分析在不同场合中各自的优缺点。最后以FM1808为例说明并行FPGA与8051系列单片机的实际接口，着重分析与使用一般SRAM的不同之处。

   关键词：铁电存储器 FRAM原理 8051 存储技术
1 背景
铁电存储技术最在1921年提出，直到1993年美国Ramtron国际公司成功开发出第一个4Kb的铁电存储器FRAM产品，目前所有的FRAM产品均由Ramtron公司制造或授权。最近几年，FRAM又有新的发展，采用了0.35μm工艺，推出了3V产品，开发出“单管单容”存储单元的FRAM，最大密度可在256Kb。
2 FRAM原理
FRAM利用铁电晶体的铁电效应实现数据存储，铁电晶体的结构如图1所示。铁电效应是指在铁电晶体上施加一定的电场时，晶体中心原子在电场的作用下运动，并达到一种稳定状态；当电场从晶体移走后，中心原子会保持在原来的位置。这是由于晶体的中间层是一个高能阶，中心原子在没有获得外部能量时不能越过高能阶到达另一稳定位置，因此FRAM保持数据不需要电压，也不需要像DRAM一样周期性刷新。由于铁电效应是铁电晶体所固有的一种偏振极化特性，与电磁作用无关，所以FRAM存储器的内容不会受到外界条件（诸如磁场因素）的影响，能够同普通ROM存储器一样使用，具有非易失性的存储特性。
FRAM的特点是速度快，能够像RAM一样操作，读写功耗极低，不存在如E2PROM的最大写入次数的问题；但受铁电晶体特性制约，FRAM仍有最大访问（读）次数的限制。
2．1 FRAM存储单元结构
FRAM的存储单元主要由电容和场效应管构成，但这个电容不是一般的电容，在它的两个电极板中间沉淀了一层晶态的铁电晶体薄膜。前期的FRAM的每个存储单元使用2个场效应管和2个电容，称为“双管双容”（2T2C），每个存储单元包括数据位和各自的参考位，简化的2T2C存储单元结构如图2（a）所示。2001年Ramtron设计开发了更先进的“单管单容”（1T1C）存储单元。1T1C的FRAM所有数据位使用同一个参考位，而不是对于每一数据位使用各自独立的参考位。1T1C的FRAM产品成本更低，而且容量更大。简化的1T1C存储单元结构（未画出公共参考位）如图2（b）所示。
2.2 FRAM的读/写操作
FRAM保存数据不是通过电容上的电荷，而是由存储单元电容中铁电晶体的中心原子位置进行记录。直接对中心原子的位置进行检测是不能实现的。实际的读操作过程是：在存储单元电容上施加一已知电场（即对电容充电），如果原来晶体中心原子的位置与所施加的电场方向使中心原子要达到的位置相同，中心原子不会移动；若相反，则中心原子将越过晶体中间层的高能阶到达另一位置，在充电波形上就会出现一个尖峰，即产生原子移动的比没有产生移动的多了一个类峰。把这个充电波形同参考位（确定且已知）的充电波形进行比较，便可以判断检测的存储单元中的内容是“1”或“0”。
无论是2T2C还是1T1C的FRAM，对存储单元进行读操作时，数据位状态可能改变而参考位则不会改变（这是因为读操作施加的电场方向与原参考位中原子的位置相同）。由于读操作可能导致存储单元状态的改变，需要电路自动恢复其内容，所以每个读操作后面还伴随一个“预充”（precharge）过程来对数据位恢复，而参考位则不用恢复。晶体原子状态的切换时间小于1ns，读操作的时间小于70ns，加上“预充”时间60ns，一个完整的读操作时间约为130ns。



    写操作和读操作十分类似，只要施加所要的方向的电场改变铁电晶体的状态就可以了，而无需进行恢复。但是写操作仍要保留一个“预充”时间，所以总的时间与读操作相同。FRAM的写操作与其它非易失性存储器的写操作相比，速度要快得多，而且功耗小。
2.3 FRAM的读写时序
在FRAM读操作后必须有个“预充电”过程，来恢复数据位。增加预充电时间后，FRAM一个完整的读操作周期为130ns，如图3（a）所示。这是与SRAM和E2PROM不同的地方。图3（b）为写时序。
3 FRAM与其它存储技术比较
目前Ramtron公司的FRAM主要包括两大类：串行FRAM和并行FRAM。其中串行FRAM又分I2C两线方式的FM24××系列和SPI三线方式的FM25xx系列。串行FRAM与传统的24xx、25xx型的E2PROM引脚及时序兼容，可以直接替换，如Microchip、Xicor公司的同型号产品；并行FRAM价格较高但速度快，由于存在“预充”问题，在时序上有所不同，不能和传统的SRAM直接替换。
FRAM产品具有RAM和ROM优点，读写速度快并可以像非易失性存储器一样使用。因铁电晶体的固有缺点，访问次数是有限的，超出限度，FRAM就不再具有非易失性。Ramtron给出的最大访问次数是100亿次（10 10），但是并不是说在超过这个次数之后，FRAM就会报废，而是它仅仅没有了非易失性，但它仍可像普通RAM一样使用。
（1）FRAM与E2PROM
FRAM可以作为E2PROM的第二种选择。它除了E2PROM的性能外，访问速度要快得多。但是决定使用FRAM之前，必须确定系统中一旦超出对FRAM的100亿次访问之后绝对不会有危险。




    （2）FRAM与SRAM
从速度、价格及使用方便来看，SRAM优于FRAM；但是从整个设计来看，FRAM还有一定的优势。
假设设计中需要大约3KB的SRAM，还要几百个字节用来保存启动代码的E2PROM配置。
非易失性的FRAM可以保存启动程序和配置信息。如果应用中所有存储器的最大访问速度是70ns，那么可以使用1片FRAM完成这个系统，使系统结构更加简单。
（3）FRAM与DRAM
DRAM适用于那些密度和价格比速度更重要的场合。例如DRAM是图形显示存储器的最佳选择，有大量的像素需要存储，而恢复时间并不是很重要。如果不需要下次开机时保存上次内容，使用易失性的DRAM存储器就可以。DRAM的作用与成本是FRAM无法比拟的。事实证明，DRAM不是FRAM所能取代的。
（4）FRAM与Flash
现在最常用的程序存储器是Flash，它使用十分方便而且越来越便宜，程序存储器必须是非易失性的，并且要相对低廉，还要比较容易改写。而使用FRAM会受访问次数的限制。
4 FRAM与单片机接口
下面介绍并行FRAM——FM1808与8051/52—的实际应用。
4.1 预充电信号的产生
在大多数的8051系统中，对存储器的片选信号CE通常允许在多个读写访问操作时保持为低。但这对FM1808不适用，必须在每次访问时CE由硬件产生一个正跳变。标准8051核的一个机器周期包括12个时钟周期，ALE信号在每个机器周期中有效两次，除了对外部数据存储器访问时仅有效一次。8051对外部存储器的读或写操作需要两个机器周期。快速型8051如DS87C520或W77E58的一个机器周期仅需4个时钟周期，而在一些新的，如Philips的8051中，一个机器周期为6个时钟周期，在任何一个机器周期中ALE信号都有效两次。尽管有这些不同，仍可以用ALE信号和地址片选来产生可用作FRAM访问的CE信号。要保证对FM1808的正确访问，必须注意两点：
第一，FRAM的访问时间必须大于70ns；
第二，ALE的高电平宽度必须大于60ns。
对于标准的8051/52，ALE信号的宽度因不同厂家略有不同。一些快速的8051/52系列，如Dallas的DS87C520，Winbond的W77E58则更窄一些。




    根据前面的介绍，要实现对FM1808的正常操作，对于标准8051/52来说，主频不能高于20MHz；而对于高速型的8051/52，主频不应高于23MHz。
4．2 FM1808与8051的接口电路
FM1808与8051接口电路如图4所示。这里使用8051的ALE信号和由地址产生CE的片选信号相“或”来产生CE的正跳变。2片32K×8的FRAM存储器，A15与ALE通过74FC32相“或”作为U2的片选，取反后作为U3的片选。所以，U2的地址为0～7FFFH，U3的地址为8000H～FFFFH。8051的RD信号与PSEN信号相“与”后作为U3的输出允许，所以U3作为程序或数据存储器使用。当J1跳接块在右边时，U2与U3用法相同；而J1跳接在左边时，U2仅作为程序存储器。要保证代码不会意外地被改写，仅需断开J2即可。
需要注意的是，由于逻辑门电路都有6～8ns的延时时间，在主频较高时对应使用快速型逻辑芯片（F系列）。
结语
FRAM产品为我们提供了可使用的存储器的一种新选择，在原来使用E2PROM的应用中表现会更出色，为某些原来认为需要使用SRAM的E2PROM的应用系统找到一种新的途径。但是由于最大访问次数的限制，要成为理想的通用存储器，FRAM还有很长的路要走。