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Ramtron F-RAM: l'alternativa a flash ed eeprom

Ramtron Fram

Ramtron, un’azienda leader nel settore della tecnologia F-RAM, ha recentemente annunciato una nuova serie di memorie con interfaccia seriale SPI in grado di fornire un’elevata velocità di lettura/scrittura, bassa tensione di alimentazione, ed un elevato numero di cicli di cancellazione e scrittura (superiore a 10E15).
Il principale vantaggio delle memorie RAM ferroelettriche (FRAM) rispetto alle tradizionali memorie flash ed eeprom è che nella memoria F-RAM non esiste alcuna differenza tra i tempi di accesso in scrittura ed in lettura: può essere considerata a tutti gli effetti una vera e propria RAM non volatile.

D’accordo, ma com’è possibile ottenere un’operazione di scrittura così veloce, senza introdurre alcun ciclo di ritardo? La risposta va cercata nelle caratteristiche fisiche della memoria F-RAM. La memoria F-RAM è in grado di offrire la funzione di non volatilità grazie alla proprietà ferroelettrica, tipica di una classe di materiali come la Perovskite (CaTiO3, un ossido di calcio e titanio). Il cristallo di Perovskite è formato in modo tale che l’atomo presente al suo centro può assumere indifferentemente due posizioni (dette superiore ed inferiore), entrambe stabili e caratterizzate da un basso livello di energia. Applicando un campo elettrico al cristallo, è possibile far muovere l’atomo centrale da una posizione stabile a quella opposta, e durante questa transizione avviene anche una produzione di carica elettrica (detta carica di switch). Ne consegue che, applicando un campo elettrico esterno ed invertendo la sua direzione a piacimento, è possibile ottenere una cella di memoria elementare da 1-bit (per questo motivo le due posizioni stabili sono chiamate di polarizzazione superiore ed inferiore).

Il principale vantaggio della memoria F-RAM è che l’operazione di scrittura è estremamente veloce, dal momento che non è richiesto alcun ciclo di ritardo addizionale. Le memorie non volatili tradizionali come flash ed eeprom richiedono l’applicazione di una tensione elevata durante l’esecuzione della scrittura: ciò comporta un maggior assorbimento di corrente e lunghi cicli di ritardo. Inoltre, l’operazione di scrittura eseguita su queste memorie è distruttiva, ed essse solitamente non sopportano più di 10E6 accessi in scrittura. La memoria F-RAM di Ramtron richiede un’alimentazione di soli 3V, e supporta oltre 10E15 accessi in scrittura.

Le caratteristiche della memoria F-RAM possono perciò essere riassunte come segue:
· tempo di accesso in scrittura comparabile al tempo di accesso in lettura (meno di 100 nanosecondi)
· la tensione richiesta per la scrittura è uguale alla tensione richiesta per la lettura (3V in alcuni modelli Ramtron)
· elevato numero di accessi in scrittura

I principali campi di applicazione per questi tipi di dispositivo sono:
· gestione del power failure: nei sistemi embedded esiste spesso la necessità di scrivere in memoria non volatile i dati di configurazione e/o altre informazioni che vengono modificate durante il funzionamento di un apparato. Normalmente, viene richiesto che le informazioni siano completamente scritte in NVRAM anche in presenza di un power-down improvviso. Un esempio è fornito dall’unità di controllo elettronica di una pompa di benzina: questa deve tenere traccia almeno dell’ultima erogazione, scrivendo in memoria il corrispondente volume ed importo (in questo modo, se l’alimentazione va via e poi ritorna nuovamente, il display sarà in grado di visualizzare i dati dell’ultima erogazione). Se viene utilizzata una eeprom per svolgere questa funzione, diviene molto importante disporre di un ottimo alimentatore in grado di assicurare, in caso di power-down, un tempo sufficiente per completare l’operazione di scrittura sulla eeprom (a seconda delle dimensioni dei dati da scrivere, questa potrebbe richiedere alcune decine di millisecondi). Se invece viene utilizzata una memoria F-RAM, gli accessi in scrittura possono sempre essere eseguiti senza preoccuparsi di gestire un possible power failure. Inoltre, i dati possono essere scritti in memoria non volatile sempre, dal momento che questa supporta numerosi accessi in scrittura.
· applicazioni RF/ID: le memorie impiegate nelle soluzioni RF/ID ricevono l’energia necessaria al loro funzionamento direttamente dal campo RF, e questa energia decresce esponenzialmente con la distanza. F-RAM è una soluzione adatta per questo tipo di applicazioni, dal momento che essa assorbe poca energia anche durante le operazioni di scrittura.
· applicazioni in ambienti con elevato livello di rumore. L’eeprom è molto sensibile al rumore: a causa dell’elevato tempo richiesto per eseguire la scrittura, essa ha una probabilità maggiore di fallimento dell'operazione rispetto ad una F-RAM.
· diagnostica: le memorie non volatili sono molto utili per conservare, sotto forma di log o trace, particolari eventi o stati che si sono verificati durante il funzionamento di un dispositivo elettronico. Questi possono successivamente essere acquisiti, fornendo uno strumento valido per investigare malfunzionamenti ed anomalie.

Ramtron International Corporation ha la sua sede principale a Colorado Springs, nel Colorado, ed è una società "fabless" (cioè la fabbricazione dei componenti viene affidata a terze parti) specializzata nella progettazione, sviluppo, e vendita di memorie ferroelettriche e microcontrollori (www.ramtron.com). Tra i suoi prodotti è presente anche un microcontrollore 8051 equipaggiato con una memoria di tipo F-RAM. Nel 2006, Ramtron ha superato la ragguardevole cifra di 150 milioni di unità F-RAM vendute.
Recentemente, Ramtron ha annunciato un nuovo modello di F-RAM, il FM25V10, dotato di un’interfaccia seriale molto veloce.

Le principali caratteristiche di questo dispositivo sono le seguenti:
· capacità pari ad 1 Megabit, organizzata logicamente in una struttura di 128K x 8 bit
· nessun ciclo di ritardo richiesto durante la scrittura: le scritture sono eseguite alla piena velocità del bus
· elevata durata (almeno 10E14 cicli garantiti di cancellazione e scrittura)
· mantenimento dei dati per almeno 10 anni
· interfaccia seriale ad elevata velocità (SPI in modo 0 e 3)
· frequenza fino a 40 MHz
· bassa tensione di alimentazione (compresa tra 2.0 e 3.6V)
La memoria viene fornita dal fabbricante con un device ID pre-inserito, contenente le informazioni relative al fabbricante, all’identificativo del prodotto, ed al numero di revisione.
Esiste anche una versione speciale di questo prodotto, il modello FM25VN10, che incorpora anche un serial number univoco; si tratta di un ID su 8 byte (inclusi 40 bit riservati per l’identificativo univoco) che possono essere definiti su precisa indicazione del cliente.

Le memorie F-RAM di Ramtron sono adottate in diversi tipi di applicazioni, quali ad esempio:
· settore automotive: smart airbag, sistemi di controllo della stabilità, dispositivi audio ed entertainment, sistemi per la gestione della trasmissione
· sistemi di calcolo, soprattutto computer industriali, i quali sono spesso chiamati ad operare in ambienti ostili con elevato livello di rumore. Per tali tipi di applicazioni, la possibilità di disporre di una memoria non volatile veloce ed affidabile rappresenta un enorme vantaggio.
· industria: trasmettitori di pressione intelligenti (questi dispositivi solitamente devono essere intrinsecamente sicuri, una condizione che può essere agevolmente soddisfatta con una memoria a basso assorbimento di energia come la F-RAM), protesi digitali per l’udito (le F-RAM in questo caso servono ad immagazzinare i parametri di configurazione associati allo specifico profilo dell’utilizzatore), smart card e sistemi di pagamento di tipo contactless.

 

 

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