О надежности и качестве ферроэлектрической памяти

Новый производитель, компонент или технология на начальном этапе могут вызывать осторожное отношение конструкторов, специалистов по развитию и службы комплектования. Какие бы преимущества ни сулили они, на первом плане остаются стабильность, качество и надежность производства, поставок и компонентов. Следующий материал предоставляет сведения о надежности и качестве ферроэлектрической памяти — новейшей технологии энергонезависимой памяти с произвольным доступом, предлагаемой корпорацией Ramtron.

Составляющие надежности и качества

Интенсивно развивающаяся полупроводниковая технология ежедневно предлагает новинки, которые обещают принести в электронные приборы преимущества технического или экономического свойства — снизить стоимость, энергопотребление, габариты, упростить схемотехническое решение, повысить функциональность, производительность и т. п. В первую очередь эта информация распространяется производителями компонентов и поставщиками. В анонсах новинок практически всегда присутствуют превосходные степени — самый быстрый, самый экономичный, самый эффективный и так далее. Иногда революционные преимущества достигаются ухудшением других свойств устройства, но все чаще новые компоненты и технологии предлагают действительно уникальные характеристики.

Однако для принятия решения об использовании в перспективных или модернизируемых приборах новых компонентов решающим фактором становится их качество и надежность.

Для специалистов, внедряющих компоненты, — разработчиков, конструкторов, начальников производств, службы комплектования — термин «качество» включает целый ряд свойств, характеризующих сами компоненты, их производство и сервис по поставкам:

• Одинаковость свойств компонентов в разных лотах. Лот — компоненты, произведенные в едином производственном цикле, маркированные единым производственным кодом и датой.
• Стопроцентный выходной контроль или минимальное и известное количество компонентов в партии, возможно не соответствующих спецификации.
• Своевременное получение информации об условиях поставки, перспективе снятия с производства и предлагаемых заменах, техническая поддержка.
• Наличие и полнота технической документации, сведений, необходимых и достаточных для всех этапов жизненного цикла прибора, от разработки до сервисного обслуживания.
• Соответствие системы менеджмента качества (СМК) производителя международным стандартам, подтвержденное сертификационным органом. Это свойство востребовано предприятиями, которые планируют или сертифицировали собственную СМК.

Надежность тесно связана с качеством, так как существенно зависит от постоянного контроля соответствия всех этапов массового производства технологическому процессу. Основные критерии, по которым оценивается надежность устройства, это:

• Устойчивость и предсказуемость работы компонента во всем специфицированном диапазоне условий эксплуатации.
• Долговременная стабильность (или документированный дрейф) параметров, как при работе, так и при хранении.
• Устойчивость к особым условиям эксплуатации (низкая или повышенная температура, влажность, давление, электромагнитные помехи).
• Устойчивость к кратковременному выходу технических условий за специфицированный диапазон.
• Известный срок наработки или ресурс и условия, влияющие на них.
• Кратко о технологии

Революционное преимущество FRAM (ферроэле-ктрическая память) заключается в одновременном обеспечении алгоритма работы ОЗУ (одинаковая длительность циклов записи и чтения, отсутствие необходимости в цикле стирания — данные замещаются, как в ОЗУ) и энергонезависимого хранения без необходимости в регенерации и резервном питании.

Физической основой работы ячейки FRAM является свойство ферроэлектриков изменять электростатическую поляризацию под воздействием электрического поля и длительное время сохранять ее в отсутствие поля. Схемотехнически ячейка FRAM представляет собой пару транзистор-конденсатор, так же, как ячейка динамической памяти. Но в качестве диэлектрика конденсатора выступает ферроэлектрик. При записи полярность заряда конденсатора модифицируется в соответствии с записываемой информацией. При чтении ко всем конденсаторам слова прикладывается напряжение одинаковой полярности и определяется наличие тока репо-ляризации: если полярность заряда совпадает с приложенным напряжением, реполяризации не происходит и выходной буфер фиксирует логический 0. В обратном случае фиксируется логическая 1. Чтение FRAM разрушает информацию, но механизм автоматической регенерации данных очень быстр и полностью скрыт от внешнего мира, поэтому алгоритм обращения к FRAM полностью совпадает с алгоритмом обращения к статической памяти.

FRAM предоставляет и другие преимущества по сравнению с массовыми типами памяти:

• Низкое энергопотребление. В активном режиме, то есть когда происходит обращение по чтению или записи, FRAM потребляет в несколько раз меньший ток, чем SRAM, и в полтора-два раза меньший, чем EEPROM или Flash. Уровень потребления одинаков в обоих типах операций. Низкое потребление связано с тем, что ячейка массива практически не затрачивает энергию в активном режиме (порядка 2 пА на каждый из32 бит активируемого столбца), а в режиме ожидания массив не нуждается в подпитке. Основная доля затрат энергии относится на CMOS-обрамление массива.
• Практически неограниченный ресурс циклов обращения. Лучшие образцы современных EEPROM и Flash обеспечивают не более 1 млн циклов модификации данных. FRAM, рассчитанные на 3-вольтовый диапазон питающего напряжения, выдерживают практически неограниченное количество обращений. В этом году выходят первые серии микросхем FRAM (FM31xxx, FM32xxx, FM25Wxxx) с расширенным диапазоном питания — от 2,7 до 5,5 В, также обеспечивающие неограниченное количество обращений. FRAM, специфицированные для напряжения питания 4,5-5,5 В, обеспечивают ресурс от 10 млрд до 1 трлн циклов обращения. Этого достаточно, чтобы обеспечить срок жизни FRAM более 10 лет при интенсивности обращения к одной и той же ячейке от 30 до 3000 раз в секунду.

Устойчивость к воздействию электромагнитных помех базируется на двух физических аспектах. Во-первых, носитель информации во FRAM — это сравнительно тяжелый атом циркония или титана. Его положение на центральной линии кристалла ферроэлектрика определяет логическое состояние ячейки. Чтобы изменить его положение, требуется напряжение, эквивалентное 130 кВ на расстоянии 1 см. Во-вторых, длительность активной фазы цикла обращения к ячейке (когда происходит изменение ее логического состояния) составляет единицы наносекунд. Столь малое временное окно уязвимости данных существенно снижает вероятность возникновения ошибки в сравнении с EEPROM, Flash и SRAM.

Полная работоспособность в широком диапазоне температур — от -55 до +125 °С и выше. Все компоненты FRAM специфицированы для диапазона температур от -40 до +85 °С. При более высоких температурах длительность энергонезависимого сохранения данных становится меньше 10 лет, которые требует промышленный стандарт. Остальные параметры не изменяются. Собственно, только из-за этого требования промышленного стандарта верхняя граница рабочей температуры указана +85 °C. При +125 °С данные в полностью отключенной микросхеме останутся неизменными в течение 2-3 лет, что не является актуальным промежутком времени для подавляющего большинства приложений. Даже при более высоких температурах для обеспечения сохранности данных достаточно производить периодическое регенерирующее чтение.

• Высокое быстродействие и большой потенциал по его увеличению. На изменение логического состояния ячейки требуется около 1 нс. Весь вклад в длительность цикла обращения сегодня вносит CMOS-об-рамление, изготовленное по технологии, оптимизированной для термостойкости и низкого энергопотребления. В недалеком будущем FRAM будет конкурировать по быстродействию с динамической и синхронной статической памятью. Уже в этом году ожидается выход FM20L08, обеспечивающей время доступа к байту до 15 нс в страничном режиме обращения.

О компании Ramtron

Компания Ramtron была основана в 1984 году. Направлением деятельности была избрана разработка перспективных технологий интегральных запоминающих устройств. В портфеле достижений компании были самая быстрая динамическая память EDRAM с временем доступа 12-15 нс и самая большая, даже в наши дни, синхронная и DDR статическая память ESRAM 72 мегабита. На микросхемах EDRAM производились модули памяти в конструктиве SIMM, в 4-5 раз более быстрые, чем любой конкурирующий модуль памяти для компьютерных приложений в середине 90-х годов. К сожалению, EDRAM не была поддержана производителями чипсетов материнских плат и получила распространение только в высокопроизводительном сетевом оборудовании — сетевых маршрутизаторах и шлюзах (например, Motorola 6560). ESRAM также опередила свое время, и компания приняла решение сконцентрировать все усилия на развитии и продвижении главной темы — FRAM.

Первые коммерчески доступные микросхемы FRAM появились в 1993 году (анонс состоялся осенью 1992 года). Первенцы FRAM были интересны в основном для исследовательских приложений, испытательного оборудования и промышленных приборов с коротким жизненным циклом вследствие того, что некоторые параметры заметно изменялись при повышении температуры, материал сравнительно быстро накапливал усталость, и требование сохранять данные не менее 10 лет в диапазоне температур от -40 до +85 °С удовлетворялось не стабильно. Но за 5 лет исследователи Ramtron существенно продвинулись в развитии технологического процесса и материалов, повысили надежность и срок службы памяти. Потребность рынка во FRAM существенно возросла, и с 1998 года Ramtron перенес производство FRAM на более мощные заводы Rohm Electronics, а с 2000 года — на заводы Fujitsu.

На рубеже тысячелетий потребность рынка и объем производства FRAM совершили колоссальный скачок, объем поставок неоднократно имел более чем двукратный ежеквартальный рост. Интерес к FRAM возрос не только у потребителей компонентов, но и у производителей — многие крупные полупроводниковые компании заключили лицензионные соглашения на использование технологии FRAM для производства встраиваемых массивов памяти. Среди них Infineon, Samsung, Texas Instruments, Hitachi, Toshiba, NEC, Fujitsu, Rohm и другие. В качестве примера встроенных массивов можно привести контроллеры бесконтактных смарт-карт Fujitsu MB89072, MB89R905A, MB89R907A, Texas Instrument планирует к выпуску в 2005 году контроллеры и сигнальные процессоры с встроенным массивом FRAM.

Система менеджмента качества FRAM: от разработки до поставки

Все этапы жизни FRAM, от исследований и разработки прототипов до выходных испытаний и отгрузки серийных компонентов заказчику, соответствуют мировым стандартам менеджмента качества и подтверждены сертифицирующими организациями.

Разработка и проектирование

Коллектив исследователей, разработчиков, проектировщиков Ramtron на головном предприятии в городе Колорадо Спрингс (штат Колорадо, США) состоит из высококвалифицированных специалистов, имеющих научные степени и не менее чем десятилетний опыт работы в своей области. Для проектирования и моделирования применяются хорошо испытанные в промышленности высокотехнологичные средства — Verilog, SmartSpice, HSIM. Кроме того, они являются специалистами по методологии проектирования, соответствующей международному стандарту и подтвержденной сертификатом ISO9000.

Производство

В последние десять-пятнадцать лет в электронной промышленности во всем мире широкое распространение получил такой способ создания новых компонентов, когда небольшие компании с мощным научным потенциалом и опытом в специфических областях являются разработчиками уникальных технологий или продуктов, а их массовое производство размещают на крупных полупроводниковых предприятиях. Эффективность такого метода мы наблюдаем каждый день — мы получаем новостные сообщения о десятках, сотнях и тысячах новых компонентов, которые становятся все более совершенными и позволяют создавать все более совершенные и доступные электронные приборы, поколения которых сменяются каждые 4-6 месяцев.

Ramtron также является компанией без собственных производственных мощностей. Стратегическим партнером Ramtron в производстве FRAM и лицензиатом технологии является Fujitsu. Лидер полупроводниковой промышленности с многолетней историей, налаженным производством и высокоэффективной системой менеджмента качества (ISO9002 и ISO14001) производит сегодня миллионы кристаллов FRAM для Ramtron и использует технологию в собственных компонентах.

Сборка и упаковка кристаллов в стандартные корпуса SOIC и DIP (а в ближайшее время появятся FRAM в микрокорпусах DNF 3×6,4 мм и 4×4,5 мм) производится на одном из крупнейших предприятий Таиланда NSE Electronics в Бангкоке. NSE также имеет систему менеджмента качества, сертифицированную по ISO9002, ISO14001 и QS9000.

Испытания на надежность и гарантии качества

Выходной контроль в этой цепочке присутствует дважды: после изготовления кристаллов на Fujitsu и после корпусирования на NSE. Следует отметить, что изготовленные кристаллы Fujitsu подвергает серьезным испытаниям на надежность:

Испытания на выносливость Сохранность данных при высокой температуре

+ 150 °C 1000 часов

Работа при высокой температуре +125 °C 1000 часов

Работа при низкой температуре -55 °C 1000 часов

Устойчивость к высокой влажности и температуре +85 °C/85%RH 1000 часов

Испытания на устойчивость к колебаниям условий эксплуатации

Термоциклирование -65-+ 150 °C 200 циклов Термический удар 0 — +100 °C 200 циклов

Влажность/температура/ давление +121 °C/100%RH

2.03×10⁵ Па 168 часов Влажность/температура/ давление/вибрация +121 °C/100%RH

2.03×10⁵ Па 168 часов Для накопления статистики по большему количеству параметров качества, надежности и долговременной стабильности FRAM, Ramtron проводит дополнительное тестирование кристаллов и готовых микросхем в компании HANA Semiconductor (Таиланд):

Поставив за два года сотни тысяч компонентов FRAM предприятиям России и стран Содружества, компания «Элтех», официальный дистрибьютор Ramtron, не получила до настоящего момента ни одной рекламации. На основании накопленного опыта в технической поддержке проектов можно выделить несколько моментов, которые вызывали затруднения на начальных этапах работы с FRAM.

Неполная алгоритмическая взаимозаменяемость FRAM с параллельным интерфейсом и стандартной асинхронной SRAM. Это не техническая проблема FRAM, не требует решения. Возможное затруднение связано с тем, что в микросхемы FRAM с параллельным интерфейсом встроен регистр-защелка адреса, управляемый по выводу /CE, — каждый новый адрес запоминается в регистре по спаду уровня на /CE. Это эффективно при работе на мультиплексированных шинах адрес/данные, так как избавляет от необходимости внешнего демультиплексирования, снижает энергопотребление и количество компонентов на плате. Но вместе с тем такая особенность требует управления этим выводом при каждом обращении, в то время как стандартная SRAM допускает потоковое обращение к массиву при постоянном активном уровне на /CE. Эту особенность необходимо учитывать при модернизации или проектировании новых приборов.

В этом году планируется к выпуску FM20L08 с параллельным интерфейсом и объемом массива FRAM 128 кбайт. Архитектура FM20L08 поддерживает три режима обращения:

• Потоковый при постоянном активном уровне на /CE (совместимость с SRAM).
• Произвольный с фиксацией адреса по спаду уровня на /CE (совместимость с предыдущим поколением FRAM).
• Страничный — быстрый доступ к восьми последовательным адресам. Последний режим позволяет сократить время доступа к байту до 15 нс.

Искажение данных при низковольтном доступе. Это также не проблема FRAM, это случается с любым типом памяти (кроме масочных ПЗУ и ПЗУ с пережигаемыми перемычками). Проблема кроется в некорректной работе контроллера при включении питания. Когда напряжение не достигло еще специфицированного диапазона, шины некоторых типов контроллеров могут быть в произвольном и изменяющемся состоянии. Хаотичная смена уровней на шинах может инициировать ошибочный цикл записи в память. Так как по включении внутренний регистр адреса FRAM (и многих других типов микросхем памяти) сбрасывается в нулевое состояние, то искажению могут подвергнуться данные одной или нескольких ячеек в младших адресах.

Решением этой проблемы может быть использование супервизора, переходящего в активное состояние при как можно меньшем напряжении питания и способном удерживать сигнал сброса в активном состоянии, максимально приближенном к уровню шин питания (как правило, к 0 В). Вспомогательным способом может служить обеспечение кратчайшего времени включения питания.

Следует отметить, что FM18L08 имеет встроенную защиту массива от низковольтного доступа, которая включается при напряжении питания около 2,2 В. FM20L08 включает еще более совершенную защиту — встроенный монитор питания, блокирующий массив от доступа при 2,9 В и вырабатывающий сигнал о блокировке.

Расчет ресурса циклов обращения. FRAM с диапазоном питания 4,5-5,5 В обеспечивают не менее 10 млрд или 1 трлн циклов обращения, включающих также циклы чтения. FRAM с диапазоном питания 3,0 и 3,3 В имеют неограниченный ресурс. Наличие очерченной границы ресурса у 5-вольтовых FRAM вызывает зачастую необоснованные опасения за срок службы целевого изделия. На самом деле ограничение указано, во-первых, для наихудших специфицированных условий эксплуатации (повышенная температура и напряжение питания), а во-вторых, этот параметр может и должен использоваться для расчета срока жизни прибора, исходя из интенсивности обращения к памяти.

Массив FRAM состоит из строк и колонок. 10 млрд или 1 трлн — это количество циклов обращения к колонке массива, состоящей из 4 байт (типовая архитектура массива). При каждом обращении на единицу уменьшается ресурс только одной колонки. Последовательные адреса относятся к разным колонкам. Так как обычно обращение к памяти происходит при последовательном нарастании (или уменьшении) адреса, интенсивность исчерпания ресурса каждой колонки не столь высока и ресурс всего массива расходуется равномерно. На основе статистики программы и интенсивности использования целевого прибора можно с высокой достоверностью вычислить интенсивность обращения к одной и той же колонке. Сопоставив среднюю интенсивность обращения и ресурс микросхемы FRAM в наихудших условиях, можно вычислить и минимальный срок ее службы. Например, для обеспечения 10 летнего непрерывного срока службы FRAM с ресурсом 10 млрд циклов средняя интенсивность обращения к одной и той же колонке не должна превышать 30 раз в секунду, а для FRAM с ресурсом 1 трлн — не более 3000 раз в секунду. Стандартный промышленный контроллер семейства MCS-51 с тактовой частотой 12 МГц пересекает эту границу, только если практически никаких других операций, кроме обращения к памяти, не производит.