Benvenuti a un nuovo appuntamento con la Rubrica Firmware Reload di Elettronica Open Source. In questa Rubrica del blog EOS abbiamo raccolto gli articoli tecnici della vecchia rivista cartacea Firmware, che contengono argomenti e temi passati ancora di interesse per Professionisti, Makers, Hobbisti e Appassionati di elettronica. In questo articolo faremo una panoramica delle soluzioni Fujitsu nel settore delle memorie.
I dispositivi Ferroelectric RAM (indicati genericamente come FRAM, FeRAM o F-RAM) sono memorie non-volatili ad accesso casuale a elevato data rate. Rappresentano oggi una delle principali alternative alle memorie EEPROM e FLASH combinando le caratteristiche tipiche di questi dispositivi con le prestazioni elevate (in termini di ridotto tempo di accesso) delle memorie SDRAM volatili. Le memorie FRAM sono caratterizzate da minore consumo di potenza, data retention più elevata e un più elevato numero di cicli di scrittura (fino a oltre 1016 per i tipici dispositivi con alimentazione a 3.3V); supportano inoltre più agevolmente l’implementazione di soluzioni di protezione da tampering. Gli svantaggi principali sono invece legati alla minore capacità di memoria (tipicamente fino a 4 Mbit) e i costi più elevati. Le applicazioni principali si trovano nel settore industriale (spesso in unione alla tecnologia RFID) per sistemi di sicurezza, automazione, metering e data logging, dove la natura non-volatile della memoria non richiede soluzioni di backup dell’alimentazione mediante batteria tampone. I materiali ferroelettrici sono inoltre resistenti a campi magnetici e radiazioni ed alle alte temperature, consentendo così l’impiego delle memorie FRAM anche in settori come quello medicale o aerospaziale. Il principio di funzionamento è del tutto simile a quello dei dispositivi DRAM tranne che per la cella di memoria (vedi Figura 1) che è basata su materiale ferro-elettrico piuttosto che dielettrico.
Figura 1: Nei dispositivi FRAM la cella di memoria si basa su materiale ferroelettrico. La polarizzazione dei dipoli è semi-permanente rendendo la memoria non volatile
Il materiale (tipicamente PZT ovvero Pb {ZrTi}O3) è depositato come film tra due elettrodi. Applicandovi un campo elettrico si determina l’allineamento coerente dei dipoli e la redistribuzione della carica elettronica nella struttura cristallina; tale allineamento è semi-permanente. Ogni cella è quindi in grado di memorizzare in maniera non volatile un bit di informazione, in funzione della propria polarizzazione. La scrittura avviene semplicemente applicando l’opportuno campo elettrico, per imporre la polarizzazione desiderata in accordo al bit da memorizzare. La lettura, invece, richiede di forzare sulla cella una certa polarizzazione nota; se questa è opposta allo stato corrente della cella, il riorientamento degli atomi che se ne determina genera un impulso di corrente agli elettrodi, che può essere facilmente rilevato. L’accesso in lettura è quindi distruttivo e richiede il refresh della cella affinché sia correttamente mantenuta la memorizzazione dei dati.
L’idea originale può essere attribuita al lavoro di tesi di Dudley Allen Buck del 1952 ma, come spesso accaduto, si è dovuto attendere il finire degli anni ’80 per vedere i primi sviluppi nel settore, grazie soprattutto alle attività di ricerca della Ramtron International, compagnia fabless americana tutt’oggi presente sul mercato. Tra i primi licenziatari della tecnologia FRAM figurava Fujitsu, una delle prime ad essere in grado, nel 1998, di integrare memoria FRAM in dispositivi CMOS e lanciarne, nel 1999, la produzione di massa sul mercato. Continuando questa tradizione di leadership nel settore FRAM, Fujitsu ha recentemente annunciato un nuovo modello di memoria ferroelettrica all’interno della propria famiglia di dispositivi V Series. L'MB85RC256V è una memoria FRAM di capacità 256 Kbit con interfaccia host di tipo I2C in grado di operare fino alla frequenza di clock di 1 MHz. La memoria si caratterizza per data retention di 1010 anni (a +85°C) e read/write endurance di 1012. La tensione di alimentazione è compresa tra 2.7V e 5.5V; la corrente nominale in condizioni di lavoro tipiche è di 200 μA e si riduce a 27 μA in modalità stand-by. L'MB85RC256V è integrato in package SOP-8 plastico (compatibile con le normative RoHS) e qualificato per l’intervallo esteso di temperatura di funzionamento da -40°C a +85°C. Come mostrato nella Tabella 1, la memoria è solo l’ultima della famiglia di dispositivi con analoghe caratteristiche e disponibili nelle altre configurazioni da 1k x 4 bit, 2k x 8 bit, 8k x 9 bit e 16k x 8 bit.
Tabella 1: Dispositivi FRAM con interfaccia I2C
Analoghi dispositivi sono disponibili anche (come mostrato nella Tabella 2) nelle versioni con interfaccia host di tipo SPI, in grado di operare fino a frequenza di clock di 25 MHz, mentre nelle applicazioni che richiedano data rate sostenuto più elevato si può far ricorso alla serie di dispositivi con interfaccia parallela (Tabella 3).
Tabella 2: Dispositivi FRAM con interfaccia SPI
Tabella 3: Dispositivi FRAM con interfaccia parallela
L'MB85R4002A, ad esempio, ha una capacità di memoria di 4 Mbit, con interfaccia host parallela a 16 bit; il tempo di accesso è di 150 ns per un data rate sostenuto in scrittura, quindi, fino a circa 105 Mbps. Il dispositivo è integrato in package TSOP48 e richiede una tensione di alimentazione (nominale) di 3.3 V. Le prestazioni in termini di data retention e data endurance sono del tutto simili a quelle dei modelli analoghi con interfaccia host di tipo seriale presentati in precedenza. La linea di soluzione Fujitsu in ambito FRAM è completata da una serie di dispositivi RFID LSI e MCU con memoria ferroelettrica integrata. La Tabella 4 mostra la line up di prodotto nel primo segmento. Sono disponibili modelli per applicazioni nella banda HF (13.56 MHz) con modulazione ASK e in quella UHF (da 860 a 960 MHz) con modulazione DSB/SSB/PR-ASK. L’interfaccia RF è di tipo ISO/IEC 15693 o ISO/IEC 18000-6/EPCglobal C1G2 (a seconda della banda d’impiego); alcuni modelli dispongono pure d’interfaccia SPI per la connessione ad un MCU host. La capacità di memoria integrata varia (a seconda dei modelli) da 256 byte a 4 Kbyte. Fujitsu rende inoltre disponibile l’accesso alla propria tecnologia FRAM anche per l’integrazione in dispositivi custom, supportando diversi tool di terze parti per le attività di design. Il cliente può progettare così il proprio dispositivo nell’ambiente abituale, rispettando le regole imposte da Fujitsu che si occupa infine delle attività di design rule check, produzione delle maschere e fabbricazione dei wafer.
Tabella 4: Dispositivi RFID con memoria FRAM integrata
