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La tecnologia FRAM di Fujitsu

La tecnologia FRAM - basata su una tipologia universale di memoria che combina le caratteristiche delle memorie RAM con la possibilità di conservare i dati in maniera non volatile - si sta diffondendo sempre più nella comunità degli sviluppatori. 

Le memorie FRAM permettono di salvare i dati proprio mentre vengono letti; i noltre, i dati vengono salvati in una modalità non volatile, e quindi conservati anche in assenza di alimentazione. Questa combinazione delle caratteristiche delle memorie RAM e delle funzionalità delle ROM/EEPROM, insieme a una più elevata velocità di lettura e scrittura e a un consumo di energia ridotto, apre nuove possibilità nello sviluppo di sistemi innovativi. La prima memoria FRAM venne lanciata sul mercato nel 1988, a seguito di alcuni esperimenti condotti con successo con materiali ferroelettrici presso l’Università di Stanford e pubblicati nel 1963.

Figura 1: struttura del cristallo del materiale ferroelettrico PZT (PB(ZrTi)O3).

Figura 1: struttura del cristallo del materiale ferroelettrico PZT (PB(ZrTi)O3).

Principi  di funzionamento

La tecnologia FRAM (Ferroelectric Random Access Memory) si basa sull’impiego di una sottile pellicola dotata di proprietà ferroelettriche.  Il materiale ferroelettrico è composto prevalentemente di PZT (Pb (ZrTi)O3). Anzichè un condensatore convenzionale, viene utilizzato un condensatore ferroelettrico dielettrico, il che significa che la struttura di una cella di memoria è simile alla struttura di una cella DRAM. Creando un campo elettrico dall’esterno, il mezzo ferroelettrico dielettrico viene polarizzato, e questa polarizzazione si mantiene anche quando il campo elettrico esterno viene rimosso, ed è proprio grazie a questo principio che è possibile il salvataggio e l’archiviazione dei dati in modalità non volatile. Se la direzione del campo elettrico viene mutata, cambia anche la direzione di polarizzazione dei cristalli ferroelettrici. Il processo di polarizzazione in sé è molto rapido, e questo consente tempi di scrittura più veloci (~110 nanosecondi). Inoltre, l’energia richiesta per la polarizzazione - e di conseguenza  il consumo di corrente durante il salvataggio - risulta estremamente bassa. I  circuiti integrati leggono lo stato della polarizzazione elettrica e la riconoscono in maniera logica come “1” o “0”.

Figura 2: comparazione della tecnologia FRAM con altre tecnologie per il salvataggio dei dati.

Figura 2: comparazione della tecnologia FRAM con altre tecnologie per il salvataggio dei dati.

Comparazione con altri  tipi di memorie

Grazie ai suoi 1010 cicli di scrittura garantiti, la tecnologia FRAM assicura alle memorie un ciclo di vita pressoché illimitato: questo significa che - a differenza di altre tipologie di memorie non volatili - non si avranno  i problemi legati a una rapida apparizione di fenomeni di usura. Ciò si deve principalmente al fatto che le memorie FRAM non richiedono voltaggi elevati per essere cancellate: questo significa che non sono ne- cessarie pompe interne di alimentazione per sviluppare il voltaggio di cancellazione, e tale circostanza si riflette direttamente nel ridotto consumo di corrente della tecnologia FRAM - in rapporto ad altre memorie non volatili - in fase di scrittura dei dati. Le memorie FRAM vengono scritte con 3,3 volt in processi da 0,35 um. Un tipico ciclo di scrittura dura solo 110 ns, poiché i dati vengono sovrascritti e non serve un ciclo di cancellazione dedicato. Queste proprietà hanno predestinato le memorie FRAM ad applicazioni che si basano su cicli di scrittura molto intensi e che quindi richiedono salvataggi dei dati frequenti, rapidi e in maniera non volatile. Paragonata direttamente  alle EEPROM, la tecnologia FRAM offre 100.000 cicli di scrittura in più, consuma solamente 1/400 della loro energia, ma garantisce una velocità 30.000 volte superiore.

Come  le applicazioni RFID beneficiano della  tecnologia FRAM

Le proprietà descritte rendono le memorie FRAM le preferite per applicazioni che richiedano salvataggi di un gran numero di dati, con elevata frequenza e con basso assorbimento di energia. Un tipico esempio di simili applicazioni è un tag RFID passivo riscrivibile. In questo caso, l’intera fornitura di energia deve avvenire in maniera maggiore o minore attraverso l’aria; poiché la tecnologia FRAM si caratterizza per il medesimo ridotto consumo di energia sia in lettura che in scrittura, utilizzando tag RFID basati su tecnologia FRAM si raggiungono distanze identiche tanto in lettura quanto in scrittura.  I tag convenzionali basati su tecnologia EEPROM devono essere collocati molto più vicino al dispositivo di lettura/scrittura, rispetto a un semplice accesso in lettura, a causa dell’energia necessaria per la cancellazione che deve essere trasferita durante i cicli di scrittura. In particolare nelle applicazioni in cui il tag RFID contenga un gran numero di dati che vengono modificati spesso, la tecnologia FRAM si esprime al massimo livello, grazie alla potenza dei suoi 1010 cicli di scrittura. In conformità allo standard ISO15693, Fujitsu offre circuiti integrati per tag RFID dotati di memoria FRAM da 256-byte (MB89R119), per arrivare fino a una memoria FRAM da 2048-byte (MB89R118). Proprio per sfruttare al meglio la possibilità di scrivere ad altissima velocità sui tag RFID basati su tecnologia FRAM, Fujitsu ha integrato speciali comandi di “scrittura rapida” nei propri componenti: questo consente velocità che sopravanzano abbondantemente quelle offerte dai comandi standard. Grazie alle loro proprietà eccezionali, questi chip sono già stati installati in molti tag destinati ad applicazioni industriali, e principalmente nei processi di ingegnerizzazione delle automazioni, per garantire il rispetto dei parametri e le proprietà dei beni che devono essere prodotti. In particolare nella produzione di beni che vengono assemblati lungo catene di montaggio (ad esempio, nel settore automobilistico), dove la stessa catena viene utilizzata ripetutamente, un tag basato su tecnologia FRAM mantiene i costi bassi, dal momento che può essere sovrascritto un numero praticamente illimitato di volte. L’elevata velocità di scrittura in combinazione con una distanza maggiore dal dispositivo di lettura/scrittura accelera l’intero processo e ne semplifica  il controllo.

Figura 3: MB85R2001/2: grazie ai suoi 2 Mbit, questa è attualmente la memoria FRAM stand-alone più grande prodotta su larga scala da Fujitsu.

Figura 3: MB85R2001/2

Componenti di memoria standard FRAM da 256  Kbit  a 2 Mbit

Fujitsu offre una vasta gamma di memorie FRAM stand-alone. Questo permette a qualsiasi sviluppatore di sistemi di sfruttare pienamente le caratteristiche uniche della tecnologia FRAM per la specifica applicazione su cui sta lavorando, anche grazie alla disponibilità di molteplici varianti, con interfaccia bus parallela a 8-bit o a 16-bit dotate di memoria da 256 kbit, 1 Mbit e 2 Mbit. Le nuove varianti a 2 Mbit MB85R2001 (256k x 8) e MB85R2002 (128k x 16) vengono prodotte su larga scala già dall’inizio del 2007, mentre componenti dotati di una memoria ancora più ampia sono già in fase avanzata di sviluppo. L’interfaccia parallela è un’interfaccia pseudo SRAM, che assicura massima semplicità di connessione con il sistema  a cui la memoria è destinata. La tecnologia FRAM viene spesso utilizzata per rimpiazzare memorie SRAM a buffer di batteria,  il che significa che il processo di produzione e l’assistenza al prodotto risultano ancora più efficienti sotto il profilo dei costi. Ulteriori tipiche applicazioni delle memorie FRAM sono i dispositivi per la registrazione dei dati e gli strumenti di misura (permettendo di aumentare la frequenza di scrittura e il periodo di servizio), così come le apparecchiature medicali che beneficiano dell’elevato livello di resistenza delle memorie FRAM alle radiazioni (siano esse alfa, beta o gamma). Fujitsu propone inoltre memorie FRAM con un’interfaccia seriale SPI concepita specificamente per consentire  il salvataggio rapido dei parametri.  Il modello MB85RS256 con memoria da 256 kbit assicura  i 1010 cicli di scrittura tipici della tecnologia FRAM, può assumere una ciclicità fino a 15 MHz e viene fornito in un alloggiamento compatto di tipo SOP8. Questa speciale memoria può essere utilizzata per rimpiazzare una EEPROM ogni volta che il numero  di cicli di scrittura richiesti nel corso del ciclo di vita del prodotto non possa essere garantito con una EEPROM, oppure quando i tempi di scrittura della EEPROM sono troppo lunghi.

Figura 4: silicio del primo microcircuito Fujitsu con FRAM incorporata (MB95RV100).

Figura 4: silicio del primo microcircuito Fujitsu con FRAM incorporata (MB95RV100).

 

 

 

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