F-RAM память Excelon™LP с минимальным потреблением и неограниченным ресурсом записи

Компания Cypress начала выпуск новой линейки F-RAM памяти Excelon™ LP. Главное отличие новой линейки от предыдущих серий Excelon™ Ultra и Excelon™ Auto заключается в более низком потреблении. При этом память Excelon™ LP обладает практически неограниченным ресурсом записи и высоким быстродействием.
4668
В избранное

Развитие автоматизации и интернета вещей (IoT) требует постоянного улучшения характеристик используемых электронных компонентов. Речь идет о снижении потребления, уменьшении габаритов, увеличении эффективности и т.д. Аналогичные требования предъявляются и к микросхемам памяти.

В современных цифровых системах память необходима не только для хранения программ, но и для накопления данных. Очень часто для решения этой задачи бывает недостаточно оперативной памяти, а требуется еще и энергонезависимая память. Обычно в качестве энергонезависимой памяти выступают микросхемы EEPROM и Flash. К сожалению, основным недостатком Flash является ограниченный ресурс циклов записи, а также повышенное потребление и низкое быстродействие. EEPROM отличается более высоким быстродействием и увеличенным ресурсом, но стоимость этой памяти также оказывается выше. В то же время большие надежды возлагаются на память F-RAM, которая должна обеспечить новый уровень производительности, потребления и надежности.

Компания Cypress является одним из лидеров по выпуску микросхем F-RAM. Серия Excelon™ состоит из трех линеек, каждая из которых подчеркивает достоинства технологии F-RAM (рис. 1):

  • Excelon™ Ultra – сверхбыстродействующие микросхемы SPI-памяти со скоростью обмена до 108 МГц.
  • Excelon™ Auto – микросхемы F-RAM памяти для автомобильных приложений с расширенным диапазоном рабочих температур, сертификацией AEC-Q100 и увеличенным сроком сохраняемости данных.
  • Excelon™ LP – новая линейка, отличающаяся сверхнизким потреблением и практически неограниченным ресурсом записи.

Рассмотрим особенности новой линейки и технологии F-RAM в целом.

Новая F-RAM-память Excelon™ LP обладает высокой надежностью и минимальным потреблением

Рис. 1. Новая F-RAM-память Excelon™ LP обладает высокой надежностью и минимальным потреблением

Технология F-RAM

Создание памяти F-RAM стало возможным, благодаря наличию особого класса материалов – сегнетоэлектриков. Эти материалы имеют два устойчивых низкоэнергетических состояния, отличающихся поляризацией молекул. Переход между состояниями происходит при приложении внешнего электрического поля, при этом сам переход имеет явно выраженный гистерезис.

Характерным примером сегнетоэлектриков является цирконат-титанат свинца (рис. 2) [1]. Молекулы этого вещества могут находиться в двух устойчивых состояниях с различной поляризацией. Различают верхнюю и нижнюю поляризацию. Тип поляризации изменяется при появлении внешнего электрического поля определенного направления и напряженности. При переходе из одного устойчивого состояния в другое происходит выделение энергии в виде заряда (Qs).

Молекула цирконата-титаната свинца обладает сегнетоэлектрическими свойствами

Рис. 2. Молекула цирконата-титаната свинца обладает сегнетоэлектрическими свойствами [1]

Поведение сегнетоэлектриков при наличии внешнего электрического поля напоминает поведение ферромагнетиков при воздействии магнитного поля. В частности, это сходство выражается в гистерезисе поляризации при изменении направления поля (рис. 3) [1]. Однако стоит отметить, что сегнетоэлектрики не чувствительны к магнитным полям.

Для сегнетоэлектриков характерен гистерезис, однако они не чувствительны к магнитным полям

Рис. 3.  Для сегнетоэлектриков характерен гистерезис, однако они не чувствительны к магнитным полям [1]

С практической точки зрения ячейку сегнетоэлектрика можно рассматривать как особый вид конденсаторов – сегнетоэлектрический конденсатор (рис. 4) [1]. При низких значениях напряженности поля он ведет себя точно также, как и обычный конденсатор. Однако при увеличении напряженности сегнетоэлектрический конденсатор поляризуется в соответствии с направлением поля. При этом, если направление поляризации конденсатора изначально не совпадает с направлением поля, то изменение поляризации сопровождается выделением заряда Qs. Если же направление поляризации конденсатора изначально совпадает с направлением поля, то поляризация не меняется и заряд Qs не генерируется. Процесс cмены полярности часто называют переключением сегнетоэлектрического конденсатора.

Сегнетоэлектрический конденсатор имеет два устойчивых состояния, что позволяет использовать его в качестве ячейки энергонезависимой памяти

Рис. 4. Сегнетоэлектрический конденсатор имеет два устойчивых состояния, что позволяет использовать его в качестве ячейки энергонезависимой памяти [1]

Таким образом, сегнетоэлектрический конденсатор может находиться в двух устойчивых состояниях, а значит, может выступать в роли элементарной ячейки энергонезависимой памяти. Для работы с такой памятью потребуется три линии (Bit line, word line, plate line) и один транзистор (рис. 5) [1]. По структуре и принципу действия такая схема идентична ячейке динамической памяти DRAM. Рассмотрим ее работу подробнее.

 Для организации доступа к битам F-RAM требуется три линии и один транзистор

Рис. 5. Для организации доступа к битам F-RAM требуется три линии и один транзистор

Принцип работы ячейки F-RAM

На рис. 6 представлен алгоритм чтения/ записи одного бита памяти F-RAM [1]. В первый момент времени ячейка находится в режиме хранения данных и напряжения на линиях отсутствуют (рис. 6a). Для чтения данных на затвор и исток транзистора подают напряжение VDD (линии word и plate) (рис. 6b). Далее возможны два варианта развития событий:

  1. Если направление поляризации сегнетоэлектрического конденсатора совпадает с направлением поля, то поляризация не меняется и заряд Qs не генерируется.
  2. Если направление поляризации сегнетоэлектрического конденсатора не совпадает с направлением поля, то поляризация меняется и формируется заряд Qs.

Порядок чтения бита данных

Рис. 6. Порядок чтения бита данных [1]

Параметры конденсатора выбраны таким образом, что заряд Qs оказывается как минимум в два раза больше, чем заряд конденсатора без изменения полярности Qu:

Qs ≥ 2 × Qu.

К линии Bit подключен компаратор, который сравнивает потенциал ячейки памяти с опорным напряжением. Опорное напряжение выбирается между напряжением переключенного и не переключенного сегнетоэлектрического конденсатора. В зависимости от заряда ячейки памяти на выходе компаратора формируется логический сигнал 0 или 1. Весь процесс доступа к данным занимает менее 100 нс.

После этапа чтения происходит этап сохранения данных. На линию Bit подается сигнал, возвращающий сегнетоэлектрический конденсатор в исходное состояние. После чего со всех линий снимается напряжение. Процесс сохранения также занимает менее 100 нс.

Процесс записи ничем не отличается от рассмотренного выше этапа сохранения данных.

Как видно из представленного алгоритма, работа F-RAM практически идентична работе DRAM. Вместе с тем, F-RAM является энергонезависимой памятью и не требует периодического процесса регенерации данных. F-RAM также обеспечивает и ряд преимуществ по сравнению с EEPROM и Flash. Рассмотрим их подробнее.

Преимущества F-RAM

В современной энергонезависимой памяти в большинстве случаев используется технология плавающего затвора, в частности в EEPROM и Flash. Затвор сохраняет заряд, который определяет проводящее или непроводящее состояние МОП-транзистора. Для инжекции заряда в плавающий затвор требуется подача высокого напряжения (10 В и более). К сожалению, воздействие столь высоких напряжений приводит к деградации ячейки памяти. Деградация выражается в неспособности ячейки памяти к дальнейшему хранению заряда. В настоящее время типовые образцы EEPROM имеют ресурс около 106 циклов записи.

Ячейки памяти F-RAM не требуют высокого напряжения и не испытывают существенной деградации. По этой причине их ресурс оказывается практически неограниченным и составляет более 1014 циклов записи. Чтобы понять разницу, приведем простой пример. Пусть требуется выполнять запись 1 байта данных с частотой 1 раз в секунду. При такой частоте ресурс EEPROM будет исчерпан за 12 дней, при условии использования одного и того же байта памяти. При аналогичных условиях ресурса F-RAM хватит на 1 157 407 407 лет (более 1 триллиона лет). Это очень и очень много, для сравнения Юрский период закончился «всего лишь» 145 миллионов лет назад.

Вторым важным преимуществом F-RAM является быстродействие. Для типовой EEPROM при частоте обмена 20 МГц для записи 256 бит (буфер 32-байта) понадобится 5 мс, а для записи 64 кбайт потребуется 1283,6 мс. Запись аналогичных объемов данных в F-RAM займет 14 мкс и 3,25 мс, соответственно.

Третье достоинство F-RAM заключается в низком потреблении. В рассмотренном выше примере для записи 64 кбайт данных в EEPROM будет затрачено около 17 мкДж, а для записи 64 кбайт данных в F-RAM понадобится всего 0,03 мкДж (в 229 раз меньше). Кроме того, стоит отметить, что в случае с F-RAM энергия, затрачиваемая в цикле чтения, равна энергии, затрачиваемой в цикле записи.

Таким образом, основными преимуществами F-RAM являются:

  • практически неограниченный срок службы;
  • высокое быстродействие;
  • минимальное потребление.

Всеми перечисленными достоинствами обладают микросхемы памяти серии Excelon™ от Cypress.

Обзор микросхем памяти Excelon™ LP от Cypress

Компания Cypress выпускает различные виды памяти, в том числе и F-RAM серии Excelon™ с последовательным интерфейсом. До недавнего времени серия объединяла две линейки: сверхбыстродействующие микросхемы памяти Excelon™ Ultra со скоростью обмена до 108 МГц и микросхемы F-RAM памяти для автомобильных приложений Excelon™ Auto с расширенным диапазоном рабочих температур. Теперь компания предлагает новую линейку Excelon™ LP с ультранизким потреблением.

В таблице 1 представлено сравнение характеристик линеек Excelon™ от Cypress. Из таблицы видно, что по сравнению с предыдущими линейками микросхемы Excelon™ LP имеет следующие преимущества:

  • Объем памяти до 8 Мбит;
  • Сверхнизкое потребление: 2,6 мА в активном режиме (обмен 40 МГц), 3,5 мкА (standby mode), 0,90 мкА (Deep Power Down mode), 0,1 мкА (Hibernate mode);
  • Наличие компактного 8-выводного корпуса GQFN, который занимает на плате менее 10 мм2.

Таблица 1. Сравнение характеристик различных линеек памяти Excelon™ от Cypress

Параметр Excelon LP Excelon Ultra Excelon Auto
Емкость 4 Мбит 8 Мбит 4 Мбит 2 Мбит, 4 Мбит
Скорость/интерфейс 20 МГц/SPI 20 МГц/SPI 108 МГц/ SPI/ DPI/ QPI 50 МГц/SPI
50 МГц/SPI
Потребление в режиме Standby (тип) 2,3 мкА 3,8 мкА 165 мкА 2,7 мкА
Потребление в режиме Hibernate (тип) 0,1 мкА 0,1 мкА 0,1 мкА 0,1 мкА
Потребление в режиме Deep Power Down (тип) 0,7 мкА 1,0 мкА 1,0 мкА 1,10 мкА
Потребление  в активном режиме 
(макс)
1,5 мА (при 20 МГц, 70°C) 1,6 мА (при 20 МГц, 70°C) 14 мА (при 108 МГц SPI) 7 мА (при 50 МГц)
3,7 мА (при 50 МГц, 85°C)
Диапазон рабочих напряжений 1,71 В - 1,89 В 1,71 В - 1,89 В 1,71 В - 1,89 В 1,71 В - 1,89 В
1,8 В - 3,6 В 1,8 В - 3,6 В 1,8 В - 3,6 В 1,8 В - 3,6 В
Срок службы (циклов чтения/записи) 1015 1015 1014 1013
Длительность сохранения данных 141 лет (при 70°C) 141 лет (при 70°C) 10 лет (при 85°C) 11 лет (при 105°C)
10 лет (при 85°C)
Диапазон рабочих температур Коммерческий
(0°C... +70°C)
Коммерческий (0°C... +70°C) Промышленный (-40°C... +85°C) Автомобильный Grade 3
(-40°C... +85°C)
Промышленный (-40°C... +85°C) Автомобильный Grade 1
(-40°C... +125°C)
AEC-Q100 нет нет нет да
Корпус 8 EIAJ, 8 GQFN 8 GQFN 8 EIAJ 8 EIAJ

Надежность Excelon™ LP также оказывается на высоте. Разумеется, срок службы памяти будет зависеть от частоты записи, но даже при непрерывной записи на максимальной рабочей частоте 40 МГц, ресурса Excelon™ LP хватит на 432 года, а при частоте обмена 10 МГц более чем на 1000 лет (таблица 2). В большинстве случаев такой ресурс записи можно считать неисчерпаемым.

Таблица 2. Срок службы микросхемы CY15X108QN при различной частоте записи

Частота SCK (МГц)  Циклов/сек  Циклов/год Срок службы
(для достижения лимита), лет
40 73040 2,30 × 10(^12)  432
20 36520 1,16 × 10(^12)   864
10 18380 5,79 × 10(^11)   1727
5 9190 2,90 × 10(^11)  3454

Еще один важный показатель надежности – срок сохраняемости данных. В данном случае микросхемы Excelon™ LP также демонстрируют впечатляющие результаты (таблица 3). Даже при максимальной рабочей температуре 85 °C целостность данных будет обеспечена в течение 10 лет.

Таблица 3. Срок сохраняемости данных при различных температурах окружающей среды

Температура Срок сохраняемости
данных, лет
TA = 85 °C  10
TA = 70 °C  141
TA = 60 °C  151
TA = 50 °C  160

Несмотря на важные качественные отличия, работа с микросхемами Excelon™ LP не отличается от работы с обычной SPI-памятью. Микросхемы Excelon™ LP имеют те же традиционные выводы и типовое подключение (рис. 7).

Блок схема микросхемы CY15B108QN

Рис. 7. Блок схема микросхемы CY15B108QN

Для ознакомления с возможностями микросхем памяти Excelon™ компания Cypress предлагает отладочные наборы CY15FRAMKIT-002 и CY8CKIT-062-WiFi-BT, которые отличаются функционалом.

Отладочный набор CY15FRAMKIT-002 предназначен для совместной работы с платами NUCLEO от ST или с платами Arduino (рис. 8).

Отличительными особенностями платы являются:

  • Микросхема F-RAM памяти объемом 4 Мбит (512Kx8) с интерфейсом SPI;
  • Совместимость с платами NUCLEO от ST. Подключение к NUCLEO осуществляется с помощью сокета Arduino UNO R3 или Morpho. Обмен производится по SPI или QSPI;
  • Совместимость с платами Arduino UNO R Обмен производится по SPI;
  • Напряжение питания 1,8…3,6 В;
  • Наличие готовых программных примеров для работы с NUCLEO-L433RC-P MCU.

Внешний вид отладочной платы CY15FRAMKIT-002

Рис. 8. Внешний вид отладочной платы CY15FRAMKIT-002

Отладочный набор CY8CKIT-062-WiFi-BT – отладочная платформа для разработки приложений на базе микроконтроллеров PSoC 62 и модулей LBEE5KL1DX от Murata (CYW4343W WiFi + Bluetooth Combo Chip).

Особенности платы:

  • CY15B104QSN-SXI: Excelon Ultra 4 Мбит, 108 МГц QSPI F-RAM с корпусом 8-SOIC;
  • CY8C6247BZI-D54: двухъядерный микроконтроллер PSoC 62 с ядрами ARM® Cortex®-M4/M0+;
  • Комбинированный модуль LBEE5KL1DX от Murata, объединяющий CYW4343W WiFi + и Bluetooth.
  • Контроллер EZ-PD™ CCG3 USB Type-C c поддержкой Power Delivery;
  • Память Quad-SPI NOR Flash 512 Мбит;
  • Сенсорные элементы CapSense®: слайдер и кнопки;
  • 2,4" TFT-дисплей;
  • Плата расширения с инерционными датчиками и цифровым микрофоном;
  • Встроенный отладчик Kitprog2.

Внешний вид отладочной платы CY8CKIT-062-WiFi-BT

Рис. 9. Внешний вид отладочной платы CY8CKIT-062-WiFi-BT

Ради справедливости стоит отметить, что по уровню надежности и долговечности новая линейка Excelon™ LP уступает Excelon™ Auto, а по быстродействию заметно отстает от Excelon™ Ultra. Тем не менее, в широком спектре приложений, преимущества Excelon™ LP перевешивают недостатки. Речь идет о коммерческой электронике, медицинской технике и электронике, промышленных приложениях и т.д.

Характеристики микросхемы F-RAM памяти CY15B108Q-40LPXI:

  • Тип: F-RAM;
  • Объем: 8 Мбит;
  • Интерфейс: SPI;
  • Частота обмена (SPI): 40 МГц;
  • Срок службы: 1015 циклов записи/чтения;
  • Срок сохранения данных: 151 год (60 °C);
  • Потребление: 2,6 мА в активном режиме (обмен 40 МГц), 3,5 мкА (standby mode), 0,90 мкА (Deep Power Down mode), 0,1 мкА (Hibernate mode);
  • Напряжение питания: 1,8…3,6 В;
  • Диапазон рабочих температур: -40…85 °C;
  • Корпус: 8-выводной GQFN.

Литература

  1. F-RAM™ Technology Brief. WHITE PAPER. Cypress Semiconductor Corp.2016.
Производитель: Cypress Semiconductor Corp.
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
CY15B104Q-SXI
CY15B104Q-SXI
Cypress Semiconductor Corp.
Арт.: 1995352 ИНФО PDF
Доступно: 115 шт. от 1 шт. от 3151,65
Выбрать
условия
поставки
FRAM (Ferroelectric RAM) 4Mbit (512K x 8) SPI 40MHZ 8SOIC -40 +85C
CY15B104Q-SXI от 1 шт. от 3151,65
115 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
CY15B104Q-LHXIT
CY15B104Q-LHXIT
Cypress Semiconductor Corp.
Арт.: 2273180 ИНФО PDF
Доступно: 43 шт. от 1 шт. от 5233,13
Выбрать
условия
поставки
F-RAM F-RAM Memory Serial
CY15B104Q-LHXIT от 1 шт. от 5233,13
43 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
CY15B104Q-LHXI
CY15B104Q-LHXI
Cypress Semiconductor Corp.
Арт.: 2283172 ИНФО PDF
Доступно: 125 шт. от 1 шт. от 2912,31
Выбрать
условия
поставки
FRAM (Ferroelectric RAM)
CY15B104Q-LHXI от 1 шт. от 2912,31
125 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
CY15FRAMKIT-001
CY15FRAMKIT-001
Cypress Semiconductor Corp.
Арт.: 2432901 ИНФО
Доступно: 109 шт. от 1 шт. от 3318,21
Выбрать
условия
поставки
Средства разработки интегральных схем (ИС) памяти Serial F-RAM DEV TOOL
CY15FRAMKIT-001 от 1 шт. от 3318,21
109 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
CY8CKIT-062-WIFI-BT
CY8CKIT-062-WIFI-BT
Cypress Semiconductor Corp.
Арт.: 2721487 ИНФО PDF
Поиск
предложений
The PSoC 6 WiFi-BT Pioneer Kit (CY8CKIT-062-WiFi-BT) is a low-cost hardware platform that enables design and debug of the PSoC 62 MCU and the Murata LBEE5KL1DX Module (CYW4343W WiFi + Bluetooth Combo Chip).
CY8CKIT-062-WIFI-BT
-
Поиск
предложений
CY15FRAMKIT-002
CY15FRAMKIT-002
Cypress Semiconductor Corp.
Арт.: 3468574 ИНФО PDF
Доступно: 342 шт. от 1 шт. от 1063,54
Выбрать
условия
поставки
Отладочный набор CY15FRAMKIT-002 с Excelon™ Ultra F-RAM памятью.
CY15FRAMKIT-002 от 1 шт. от 1063,54
342 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки

Сравнение позиций

  • ()