概述

现今已经被确定的记忆技术可分成两种，首先是挥发性记忆体。一般而言，系统应用非挥发性记忆体来纯粹读取或者大部份以读取为主的记忆功能，因为挥发性记忆体较为困难写入。这些记忆体都是以ROM技术为基础的衍生物，包括EPROM、EEPROM以及快闪 EPROM。

第二种则是非挥发性记忆体，这些记忆体属于RAM装置，其中包括SRAM和DRAM。由于非挥发性记忆体容易写入，因此RAM就常被应用于储存经常改变的数据资料。不过当使用者能容易地将数据写入RAM 时，其很容易挥发的性质，若在电源丧失的情况下储存大量的数据资料，技术上对于工程师来说是一项挑战。铁电随机存取记忆体（FRAM），被业界认为是理想的非挥发性记忆体。FRAM 记忆体具有容易写入的优点，并且非挥发性的特性，使其十分适合作为丧失电源时储存数据的记忆体。供货数量有限的FRAM 产品已经问世数年，技术现正迅速发展，逐渐引导成为记忆体的主流。以下的技术注解，将提供简短的操作解释，并简单概述其开发现况。

何谓FRAM记忆？

FRAM是以RAM为基础、运用铁电效应、并使用浮动闸技术作为一个储存装置。比起其他非挥发性记忆体，FRAM是一个 完全截然不同的装置。铁电效应是在一种材料中没有应用电场而能储存电极的能力，一个FRAM储存元件，是透过铁电材料结晶中的沉淀薄膜与两电极间形成一电容器而成，这电容器的架构，非常类似于DRAM的电容器。不同的是，DRAM需对电容器充电才能储存数据资料，而铁电记忆则是铁在结晶状架构内储存数据，如(图一)所示的Perovskite铁电结晶结构，其能保持2元稳定状况的「1」或「0 」。

《图一 Perovskite 铁电结晶结构示意图 》 数据源：Ramtron

由于铁电结构是基本的RAM设计，电路读取和写入简单而容易。但是与DRAM不同的是，数据的状态是稳定的，因此FRAM不需要定期更新，即使在电源消失的情况下，仍能储存资料。一般人通常对专有名词Ferroelectric产生误解， Ferro意味着铁或者磁性，ferroelectric也易与磁铁混淆，不过事实上，铁电储存记忆体并没有使用铁或者磁性的原理，且不会受到外部磁场的干扰，因为FRAM和一般的DRAM一样，均采用电磁场的原理。

FRAM的记忆技术原理是，当一电场加到铁电结晶体时，中心的原子随着电场方向移动，由于原子的移动在其结晶体内，它通过能量障碍而产生一电压尖峰（charge spike），内部的的电路感应到电压尖峰并且确定记忆。如果电场被从结晶体除去，中心的原子停留在适当位置，保护记忆的状况。

FRAM 操作模式

图一所示的简单铁电晶体架构，晶体架构中间有一个移动的原子，若外施加一个电场原子，则会沿着电场的方向移动，如施加逆向电场，原子则朝向相反方向移动。由于原子在晶体顶部和底部的位置是稳定的，因此极化方向也是稳定的，电场消失后仍会继续保持。作为一种记忆单元，铁电可提供理想的数位储存模式，包含两种稳定的状态，读写速度快，功耗低，抗干扰能力强。

读取操作

虽然记忆元件也是属于一个电容器，但当线形充电时并不储存资料。为了读取FRAM储存元件，因此有必要检测出原子在Perovskite 晶体中的位置，不过目前在技术上，这些位置并不能直接检测得到。

FRAM 读取操作过程是，当一个电场加到铁电跨越电容器两端时，如果原子已经不在适当的位置，移动的原子将沿电场的方向穿过晶体。在晶体的中间，高能状态将在没有电场的情况下，保持原子在适当的位置。当原子穿过高能状态时，便会产生电荷尖峰值，电路则会释放电场产生的电荷，并把其与一个参考的电荷相比较。

电容器的原子分为两种：转变状态的原子和不转变状态的原子。转变状态的电容器所释放的电荷，比不转变状态的电容器释放的电荷大。不转变状态的电容，只释放普通的DRAM电荷，而转变状态的电容，不仅释放DRAM电荷，并且释放铁电电荷。储存电路必须检测哪个电容转变了状态，转变的电荷则允许电路决定储存单元的状态。

《图二 FRAM记忆原理与晶体架构示意图 》 数据源：Ramtron

一般而言，状态转变在1ns内发生，进入整个电路只需不到70ns的时间，储存单元无效的时间则少于50ns。因为记忆体的读取涉及到一个状态的改变，线路自动恢复储存状态，因此每次读取时，都伴随着一个预先充电的操作以恢复储存状态。

写入操作

一次写入操作非常类似于一次读取操作。与其他非挥发性储存记忆体技术不同的是，FRAM的写入操作，非常简单，并且不需要系统协助，电路直接写入资料到铁电电容器。若有必要，更新资料只需简单地转变铁电晶体的状态。与读取操作一般，状态改变只需不到一秒的时间，完全进入只需不到70ns的时间，写入操作亦需要一个预先充电的动作。

FRAM产品架构演变

最初FRAM 记忆架构需要一个两只晶体管以及两个电容器的记忆架构，亦即2T2C架构。 2T2C储存单元为每个资料位元提供一个单独的类似参考，根据编程的资料状态，一个电容器在读取的时候处于转变状态，而另一个则不会转变。 「1」和「0」的状态赋值，在记忆体设计的时候是任意的，给一个近似值，记忆体线路可以精确测量转变和非转变电容器之间的差额。透过为每个位元提供一个不同的信号，便可除去电容器穿过记忆体阵列而产生的变化。

2T2C储存元件提供了稳固的数据储存可靠性，这在早期证明非挥发性储存装置技术优势的阶段非常重要。不过2T2C导致相对大的晶元尺寸，在ferroelectric材料最新的技术发展方面，业界已经在铁电储存装置阵列里，消除对一个内部参考电容在每一晶元阵列内的电容需要。例如Ramtron的新式单晶体管和单容器的晶元架构（1T1C），像DRAM一样使用一个电容器，作为在记忆阵列里每根柱子的参考。1T1C与2T2C架构相比，新架构能把晶元面积减半，成为有效的 晶片改进手段，并且降低FRAM 记忆产品的生产成本。

《图三 FRAM CMOS制程示意图 》 数据源：Ramtron

FRAME 的发展前景

从应用面层面来看，FRAM 记忆技术的发展已经进入普及到我们的日常生活当中，从办公室影印机、高阶的伺服器设备到车用电子的气囊和娱乐系统，FRAM 记忆技术正于一系列的革新产品，满足符合人们的日常储存记忆需求。

目前Ramtron也正在进行更微细化的技术节点迁移，以增加FRAM储存元件的成本效益。 Ramtron的FRAM 产品以0.5微米生产制程为主，现在则迁移至0.35微米的生产过程。与早期的0.5微米生产比较，新进的制程能降低操作的功耗，并且增加晶圆的产能。

FRAM 记忆技术与工业标准CMOS生产过程相容，ferroelectric薄膜被放在CMOS 基础层上，并且在两个电极之间夹在中间，以进行金属相互连接和钝化完成过程。

《图四 2T2C与1T1C储存组件比较示意图 》 数据源：Ramtron

RAM和ROM产品技术比较优势

FRAM记忆体类产品的特征与ROM比较概括如下︰

除了挥发性质不同之外，RAM和ROM的根本差别是ROM不能进行写入操作。一般的非挥发性记忆体具备难于写入的浮动逻辑门设计，例如，若要对EEPROM进行写入，在设计上必须将电子穿过晶体闸极，这需要使用大功率高电压。并且EEPROM需要较长毫秒级的写入时间，而目前FRAM写入时间均少于70nS。

再者，ROM类型的晶片限制少量有限的写入操作次数，这是因为写入操作的高应力状态，浮动逻辑门晶片在100000或1000000次写入操作之后就会破损，无法满足大量多媒体资料撷取的应用趋势。 FRAM记忆体能进行超过10000000000写入操作，未来这个数目随着技​​术革新还会大幅度地增加。

此外，浮动逻辑门架构还会引起系统故障，一旦出现晶片损坏之后，相应地会减少写入周期次数。与浮动逻辑门记忆体不同，FRAM写入操作不需要增压充电帮浦，结合较长的写入周期和高电压，可使浮动逻辑门记忆体写入操作无须大量能量消耗。简言之，快速的写入操作、次数多的写入寿命、以及低电压消耗，是FRAM的三大技术优势与特征。

FRAME应用优势

早期DRAM制造厂商为了提供降低DRAM成本的RAM解决方案，使用了复用定址，以节省接脚和降低封装成本，并有意使用初期快闪记忆体产品的可编程特性，升级替代EPROM记忆体。后期快闪记忆体产品进入记忆体应用领域后，出现了新的介面，这种模式更适合于FRAM产品。为了促进业界采用FRAM产品，早期的FRAM产品设计应用于改进已有的记忆体，考虑到初期FRAM产品的容量密度有限，于是在技术上不断革新，朝向设计替代已有的EEPROM记忆体并提升相关性能，如以16KB容量的FRAM直接替代串列EEPROM产品。第一代的元件使用EEPROM相同的介面，便不论记忆体的工艺性质差异。总而言之不管介面如何，FRAM记忆体的内部设计及操作，在某种意义上来说更相似于DRAM，具有类似于DRAM的读写操作性能。

系统撷取应用

当前FRAM记忆体产品的应用可分为二大类型，第一是资料撷取，在这种应用中，FRAM在系统内部收集并储存资料，最终的系统可能是一个资料撷取产品，也可能是一个基于内部资料撷取功能为核心的其他系统类型。 FRAM记忆体的特点有时允许系统收集到在以前曾经丢失的资料。

改进性能降低成本

第二是用户透过应用FRAM改进系统性能和降低生产成本，较短的写入时间能让用户快速地在系统中或在装配线上编程晶片。在系统中，FRAM可以简化系统及软体设计，使得新产品更快地进入市场；在装配线上，由于EEPROM长的初始编程时间会增加成本，因此FRAM的优势便更加明显。

FRAME在资料撷取系统应用优势

在资料获取系统应用中，透过FRAM快速的写入能力，系统性能会得到提升，系统可以选择收集更多的资料类型、或以更高频率收集资料。此时一些记忆体的优点会转变为直接而明显的系统优点，例如快速的写入周期能让系统在更短的时间内收集到更多的资料，不过系统的一些优点也不会那么明显。

以下简要说明在资料获取应用中FRAM系统的优点︰

供电故障

任何非挥发性记忆体能储存配置资料。然而，配置资料改变和供电故障同时发生是可能的，此时FRAM更高的写入寿命，将可不受限制地记录变化的资料，任何时候系统状态的变化，FRAM均能写下系统新的状态，这样就可以让系统还能于丧失电源时、在有限的短时间内将资料写入记忆体。

高杂讯环境应用

在杂讯环境中写入EEPROM时，操作会变得很复杂。当严重杂讯或电源波动出现时，EEPROM较长的写入操作时间，会在写入过程中产生抗干扰能力低的时间间隙，导致写入操作遭到破坏。 FRAM的快速写入操作能在100nS内完成，相对于杂讯和电源波动，这个写入时间特别地短，因此并不会干扰到。

RFID

在非接触式记忆体应用领域，FRAM可提供不错的解决方案。一旦RF／ID记忆体透过射频（RF）电场供应电源，FRAM记忆体可作为合适多功能晶片RF／ID（无线智慧卡）的搭配产品。

诊断与维修

在复杂系统中，营运的历史资料和发生故障期间的系统状态资料，都是重要的内容。当这些资讯被记录下来后，寻找修理故障和维护的作业流程会加速进行。由于FRAM具备次数多的写入能力，能够满足繁琐的系统记录需求，从工作站到工业处理控制等不同的系统，都能从FRAM中获得益处。

结论

FRAM是一项能满足下一世代储存需求的技术。在接下来几年，几个新的供应商将会进入市场，储存密度也将不断持续提升。 FRAM更广泛的应用领域正在扩展当中。越来越多的例子显现出，FRAM将成为储存主流之一，逐渐替换现有的记忆体，并且增加和改进资料的读取与写入技术。 FRAM正提供了其他记忆体解决方案无法满足的优势。