深入:嵌入式NVM技术

许多的新一代设备,将物联网/ E将拥有权力,足迹,和电子约束,这在以前是从来没有过的。电子闪存(eFLASH)及其衍生物被视为一个现实的解决这些小外形设计约束和简单的埃克斯波特学院设备。

“NVM将非常重要的埃克斯波特学院从节约能源的角度来看,”史蒂夫说哇,企业解决方案技术副总裁Rambus。“它不消耗任何力量在停用期间,这是一个许多低功耗要求埃克斯波特学院设备需要画很少权力在打开和关闭,也没有权力在休息的时候。”

在一个半导体工程解决其中的一些技术以前的故事。本文将深入看一下其中一些平台。

这里讨论的技术都是衍生品的ReRAM(也称为RRAM),原来基于可编程金属化细胞(PMC),由亚利桑那州立大学开发的。他们都有相似的特征,但每种技术足以引起个人发展轨道不同,在这篇文章和讨论。

铁电随机存取存储器
弗拉姆号(也称为FeRAM或F-RAM)是一种很有前途的混合内存架构。它正在复苏,现在网络互连的新范式是在地平线上,埃克斯波特学院。

弗拉姆号早在1990年代开始的,但直到最近密度保持归类问题主要是特殊应用。现在,它可以实现在CMOS,握住它的大部分已被消灭。寻找它开始出现在越来越多的地方,特别是单片机,很快在埃克斯波特学院设备。

图1:“弗拉姆”细胞。由富士通。

“弗拉姆”是一个伟大的直之间的妥协闪光和静态存储器。它有几个优点闪光包括:低功率需求更快写道,大大改善了重写消除周期(比10 ^ 16周期为3.3 V设备)。

众所周知在低功率能够写快。一般来说,flash需要一个升压电路建立电流。弗拉姆号没有。这意味着它可以在少于150 ns完成操作,使用更少的电力比闪光,闪光需要至少1女士来完成相同的操作。原因是,弗拉姆号使用铁磁材料在晶体管的电容配置(参见图1)。它可以覆盖的内容在一个周期中,弗拉姆号核心是在CMOS电压水平。因此,它不需要升压电路(电荷泵)。

这是一个使用铁磁薄膜的结果,而不是一个电容器和电时,极化的锆钛酸铅、钛)化合物。与传统晶体管不同,极化仍然是一次电。一般来说,复合的目的是沿着特定的压电材料的磁滞回线两种稳定状态;“0”或“1。“当然,这决定了细胞的二进制状态。这种压电陶瓷设计允许弗拉姆号写的很快,并使用很少的权力操作。它也有一些其它的优势flash和eepm,其中一个是更高的读/写周期。

“弗拉姆”的一个属性是其使用交通卡等事务场景快速阅读。因为它有能力应对在ns,它可以通过交通十字转门,例如,读取和验证数据,并更新任何费用更改回卡——所有在不到一眨眼的时间。使交通尽快移动。

然而,有一个轻微的缺点。弗拉姆号仍有更低的密度比技术。成为一个问题,需要一个相当大的内存分配的设备紧密足迹约束(例如,某些远程传感器)。它仍然需要3.3伏特。使它不适合非常低功耗,长寿命可移植的应用程序。然而,这是一个很好的选择设备需要快速记忆和力量保护不是首要考虑因素,如仪表、计量、工业微控制器、汽车、商业机器,RFID标签和医疗设备,更不用说。

电阻随机存取存储器
ReRAM是一个强大的埃克斯波特学院的竞争者,因为许多内在的好处。“有些事情关于这个平台,使它更容易集成现有的SoC设计流程,“Woo说。

虽然还是有点早期记忆发展地图几何图形低于20海里,这是一个顶层的目标密度,优势很明显。一个主要优势是,是有一个简单的结构具有良好的可伸缩性。另一个原因是,它提供了高速、低开关倍10 ns,在低功率。它有能力开关只使用1 femtojoule一点。它有一个非常理想的feature-ease与CMOS集成back-end-of-the-line流程。最后,它有潜力成为建于密度极大的横梁数组。”,但仍有很多技术问题解决,至少从集成与现有的生产工艺,增加了吸引。

ReRAM使用电阻而不是电荷来改变细胞内的位。原则是,当电压,电阻的变化。状态改变是,当然,从0到1,反之亦然。NVM的类型,一旦状态被设置,它仍然设置,直到下一个变化周期。

然而,并不是所有ReRAM是一样的。一种类型的组成如图2所示。取决于应用程序可能,不同类型可以有不同的基础材料,支持不同的属性,如各种访问时间,保留能力和功耗。例如,某些编造事实提供最佳数据保留而其他人可以表现出极快读/写时间。“在未来,当一个谈论埃克斯波特学院设备,到目前为止,1号设计的目标是尽可能小功率预算,“Woo说。看来ReRAM可能符合这个要求。

ReRAM利用“忆”,或者记忆电阻器。这是一种被动电路元件,保持的时间积分电流和电压之间的关系一个双端元素。从本质上讲,这是一个纳米压控电阻。

图2:ReRAM细胞,由PhoneArena.com。

一种ReRAM由氧化钛作为绝缘体。它包含氧分子的一侧,跨越到另一边如果电压可能放置在它,反映出“1”状态。氧气分子回到另一侧返回内存到关闭状态。

ReRAM的典型应用包括计算机内存,微控制器,智能手机、平板电脑、汽车导航系统,例如,和数码相机。一旦高密度阵列可以可靠地生产,ReRAM会有很多埃克斯波特学院设备的适用性,需要快速交换和低功率。其灵活的可配置性,通过材料,意味着它可以用在各种各样的埃克斯波特学院设备。

相变存储器
PCM(或CBRAM, c - ram和一些其它的缩写)是在同一个家庭ReRAM但其电阻属性是欠所谓硫族化物玻璃,一些相当独特的电气行为属性。它作用于一个可逆的原理,电化学感应传导渠道,使用一个特殊的介质作为离子导体(参见图3)。

图3:PCM示意图,由微米。

换句话说,它依赖于状态的玻璃的电特性。有能力迅速改变材料结构之间来回水晶(命令)或非晶在微观范围内(无序)条件。非晶态材料的高电阻。在结晶状态其阻力降低。这些状态的变化是促进或阻碍电流的流动,因此我们有0和1的数字等价物。

Like 其 cousin, ReRAM, PCM 可以 高速 (as 低 至 10 比 1 ns), 低 功耗 (less volt, 几 A) high-density, inexpensive.这是一个三维的结构,提出了优化密度/足迹方程的机会。特别要注意的是它可以重写没有清除细胞,第一。在速度和力量是一个关键优势指标和使它的理想组件医疗设备、低端电器、衣物,例如,和智能手机。

磁阻的随机存取存储器
磁阻的内存是另一个先进的非易失性技术之一。MRAM也并不新鲜。这是在1990年代初首次引入各种技术会议。然而,直到最近,衍生品如field-switching heat-assist MRAM,最有前途的,自旋扭矩(STT) MRAM,成为竞争者埃克斯波特学院设备内存(参见图4)。

图4:MRAM装置,由Ed Grochowski。

这一最新MRAM有很多“新和改进”的电路设计。一是它把当前路径进行读和写操作。大大提高阅读速度。反过来,减少了等效电阻(点播)写操作的近40%。这些新进展可以提供34 ns的周期时间,这转化为读/写每秒200字节的速度。此外,这种性能仅强调的低工作电压1.8 v,这使得它对于现代便携式数码产品和埃克斯波特学院。
MRAM是另一种技术,它使用标准CMOS工艺。再一次,它可以由传统的线端,这使得无缝制造过程实现高收益,低成本的设备,可以在埃克斯波特学院设备的低端竞争,离散和嵌入。

它也有晶体管单电池的优势,使它成为好的竞争者单片机集成。“这是一种技术,可以很容易地集成到SoC制造过程,“Woo说。

Silicon-Oxide-Nitride-Oxide-Silicon
最后,但肯定不是最不重要的是,进入这个舞台是SONOS(参见图5)。这种类型的内存使用,氮化硅,其中包含陷阱捕获的航空公司注入的MOS晶体管的渠道之一。这些陷阱电荷。SONOS还自夸程序和擦除电压大大低于典型的浮栅器件。

SONOS记忆的一个重要参数,它使用Fowler-Nordheim (F-N)隧道设置和清除。使其不必要的使用传统的热电子注入(黑)编程,使设备非常健壮。鲁棒性也增强,电荷在绝缘层,使数据保留,本质上,更可靠。

SONOS细胞的典型配置包括两个晶体管。一个是SONOS器件;另一方面,对于这个讨论,是一个NMOS晶体管。细胞组和消除场景是这样的:首先,SONOS晶体管的栅电压提高到一个特定的积极价值。然后注入电子隧道氧化,使用FN隧穿。该设备被应用所需的负电压到大门,导致FN隧穿的洞从基质到电荷存储层。所需的程序和擦除电压门和衬底之间是通过应用适当的电压门和p阱。

图5:SONOS晶体管的示意图(a)和电压状态的特点,Intech由的哲理。

SONOS不进来时在包的前面状态变化指标。这不是它的出名。它在功率预算不是特别敏感的应用程序或快速响应时间。它还可以保存长达10年的数据,和戏剧SoC制造流程与标准。

SONOS的有一个相对简单的结构。它可以使用相同的多晶硅栅栅氧化层和代替的逻辑与小野化合物使其有能力轻松地规模,gate-first或gate-last, high-K金属门的过程。因为SONOS的低热预算它提出了一个微不足道的影响现有CMOS器件的电气参数。

信件
虽然NVM技术已经存在了相当长一段时间,新范式的要求,如埃克斯波特学院,和连接到其他所有的一切,这些技术提出了新的要求。因此,NVM技术正在经历一场革命。新的和现有的技术都是在显微镜下的足迹,功能,技术,和集成。

有许多途径,发展在未来几年内随着这个勇敢的新世界。就没有“一刀切”,但会有很多大小和许多选项。规模经济将发挥作用,因为将摩尔定律。

“IoE-type设备的终点是真的想试一次,芯片上的非易失性内存,”吴表示。“当你移动数据,你真的想把它最短的距离。“这是驱动力。和嵌入式NVM内存芯片与单片机或其他控制器硅,就目前而言,做出最好的埃克斯波特学院设备,至少现在是这样。