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La mémoire vive ferroélectrique ( FeRAM , F-RAM ou FRAM ) est une mémoire à accès aléatoire dont la construction est similaire à celle de la DRAM , mais qui utilise une couche ferroélectrique au lieu d'une couche diélectrique pour assurer sa non-volatilité. La FeRAM est une technologie de mémoire vive non volatile alternative offrant les mêmes fonctionnalités que la mémoire flash . Une puce FeRAM contient un film mince de matériau ferroélectrique , souvent du titanate de zirconate de plomb , communément appelé PZT. Les atomes de la couche de PZT changent de polarité sous l'effet d'un champ électrique, produisant ainsi un commutateur binaire à faible consommation. Cependant, l'atout majeur du PZT réside dans son insensibilité aux coupures de courant et aux interférences magnétiques, faisant de la FeRAM une mémoire non volatile fiable .
Les avantages de la FeRAM par rapport à la mémoire Flash incluent : une consommation d'énergie réduite, des vitesses d'écriture plus rapides et une endurance maximale en lecture/écriture bien supérieure (environ 10¹⁰ à 10¹⁵ cycles) . Les FeRAM offrent une durée de rétention des données supérieure à 10 ans à +85 °C (et de plusieurs décennies à des températures inférieures) Les principaux inconvénients de la FeRAM sont une densité de stockage bien inférieure à celle des dispositifs Flash, des limitations de capacité de stockage et un coût plus élevé. À l'instar de la DRAM, le processus de lecture de la FeRAM est destructif, ce qui impose une architecture d'écriture après lecture
Dudley Allen Buck, étudiant diplômé du MIT , dans sa thèse de maîtrise intitulée Ferroelectrics for Digital Information Storage and Switching, publiée en 1952.En 1955, les laboratoires Bell Telephone menaient des expériences sur les mémoires à cristaux ferroélectriques. Suite à l'introduction des puces de mémoire vive dynamique ( DRAM ) à semi-conducteur métal-oxyde (MOS) au début des années 1970, le développement de la FeRAM a débuté à la fin des années 1980. Des travaux ont été menés en 1991 au Jet Propulsion Laboratory (JPL) de la NASA sur l'amélioration des méthodes de lecture, notamment une nouvelle méthode de lecture non destructive utilisant des impulsions de rayonnement UV.
La mémoire FeRAM a été commercialisée au milieu des années 1990. En 1994, Sega, société spécialisée dans les jeux vidéo , a utilisé des puces FeRAM pour stocker les sauvegardes de Sonic the Hedgehog 3 , dont plusieurs millions de cartouches ont été distribuées cette année-là. En 1996, Samsung Electronics a lancé une puce FeRAM de 4 Mb fabriquée à l'aide de la technologie NMOS . En 1998, Hyundai Electronics (aujourd'hui SK Hynix ) a également commercialisé la technologie FeRAM. Le premier produit commercial connu utilisant la FeRAM est la carte mémoire PlayStation 2 de Sony (8 Mo) , sortie en 2000. Le microcontrôleur (MCU) de cette carte mémoire , fabriqué par Toshiba , contenait 32 kb (4 ko ) de FeRAM embarquée, fabriquée selon un procédé CMOS 500 nm .
En 1999, Fujitsu a commencé à produire des FeRAM autonomes, ainsi que des puces spécialisées (par exemple des puces pour cartes à puce ) avec des FeRAM intégrées pour Ramtron. En 2010, Ramtron est passé à Texas Instruments et IBM.
Entre 2024 et 2025, la recherche sur les mémoires RAM ferroélectriques s'est concentrée sur les matériaux à base de HfO₂ pour leur compatibilité CMOS, leur miniaturisation à moins de 10 nm et leur intégration dans les nœuds technologiques avancés (22-28 nm). Le nombre de cycles a dépassé 10¹², avec une consommation d'énergie réduite.
Les prototypes proposaient des matrices de 9 à 16 Mb avec une endurance de 10¹² et une lecture/écriture de 5 à 7 ns.
Fournisseurs
Ramtron est une entreprise de semi-conducteurs sans usine de fabrication . L'un de ses principaux licenciés est Fujitsu , qui exploite l'une des plus grandes lignes de production de fonderie de semi-conducteurs dotée de capacités FeRAM. En 2012, Ramtron a été rachetée par Cypress Semiconductor .
Des projets de recherche sur la FeRAM ont été signalés chez Samsung , Matsushita , Oki , Toshiba , Infineon , Hynix , Symetrix, à l'Université de Cambridge , à l'Université de Toronto et au Centre interuniversitaire de microélectronique (IMEC, Belgique ).
Description
La DRAM conventionnelle est constituée d'une grille de petits condensateurs et de leurs circuits et transistors de signalisation associés . Chaque élément de stockage, une cellule , est constitué d'un condensateur et d'un transistor, un dispositif dit « 1T-1C ».
La cellule de stockage 1T-1C d'une FeRAM présente une construction similaire à celle d'une cellule de stockage DRAM : les deux types de cellules comprennent un condensateur et un transistor d'accès. Dans le condensateur d'une cellule DRAM, un diélectrique linéaire est utilisé, tandis que dans celui d'une cellule FeRAM, la structure diélectrique comprend un matériau ferroélectrique , généralement du titanate de zirconate de plomb (PZT).
Un matériau ferroélectrique présente une relation non linéaire entre le champ électrique appliqué et la charge apparemment stockée. Plus précisément, sa caractéristique ferroélectrique se manifeste par un cycle d'hystérésis , très similaire à celui des matériaux ferromagnétiques . La constante diélectrique d'un ferroélectrique est généralement bien supérieure à celle d'un diélectrique linéaire en raison des dipôles électriques semi-permanents formés dans sa structure cristalline . Lorsqu'un champ électrique externe est appliqué à un diélectrique, ces dipôles tendent à s'aligner avec la direction du champ, sous l'effet de légers déplacements atomiques et de modifications de la distribution des charges électroniques dans la structure cristalline. Après suppression du champ, les dipôles conservent leur état de polarisation. Les « 0 » et les « 1 » binaires sont stockés sous la forme de l'une des deux polarisations électriques possibles dans chaque cellule de stockage de données 2021 2027 État et perspectives de l'industrie mondiale et régionale des RAM ferroélectriques Marché professionnel – Rapports de marché mondiaux .
En termes de fonctionnement, la FeRAM est similaire à la DRAM. L'écriture s'effectue en appliquant un champ électrique à travers la couche ferroélectrique. Ce champ est généré par la charge des électrodes situées de part et d'autre de celle-ci, forçant ainsi les atomes internes à adopter une orientation « haut » ou « bas » (selon la polarité de la charge), et stockant ainsi un « 1 » ou un « 0 » ( Introduction à la DRAM (Dynamic Random-Access Memory) - Articles techniques ). Le fonctionnement en lecture est également similaire à celui de la DRAM (Ferroelectric RAM : Technologie FRAM » Notes d'électronique ). Le transistor force la cellule à un état particulier, par exemple « 0 ». Si la cellule contenait déjà un « 0 », rien ne se passe sur les lignes de sortie. Si la cellule contenait un « 1 », la réorientation des atomes dans la couche provoque une brève impulsion de courant en sortie, les électrons étant expulsés du métal du côté « bas » (Ferroelectric RAM : Technologie FRAM » Notes d'électronique) . La présence de cette impulsion indique que la cellule contenait un « 1 ». Étant donné que ce processus écrase la cellule, la lecture de la FeRAM est un processus destructif et nécessite la réécriture de la cellule.
De manière générale, le fonctionnement de la FeRAM est similaire à celui de la mémoire à tores de ferrite , l'une des principales formes de mémoire informatique des années 1960 (Technologie de la mémoire informatique : des anneaux de ferrite à la FRAM) . Cependant, comparée à la mémoire à tores, la FeRAM consomme beaucoup moins d'énergie pour inverser la polarité et ce, beaucoup plus rapidement.
Caractéristiques et propriétés
Densité
Le principal facteur déterminant du coût d'un système de mémoire est la densité des composants qui le constituent. Des composants plus petits et moins nombreux permettent d'intégrer davantage de cellules sur une seule puce, et donc d'en produire plus simultanément à partir d'une seule plaquette de silicium. Ceci améliore le rendement, qui est directement lié au coût.
La limite inférieure de ce processus de miniaturisation est un point de comparaison important. En général, la technologie qui atteint la plus petite taille de cellule sera la moins coûteuse par bit. Du point de vue de leur construction, les mémoires FeRAM et DRAM sont similaires et peuvent généralement être fabriquées selon des procédés similaires et à des dimensions comparables. Dans les deux cas, la limite inférieure semble être définie par la quantité de charge nécessaire pour déclencher les amplificateurs de détection. Pour la DRAM, cela semble poser problème aux alentours de 55 nm, seuil à partir duquel la charge stockée dans le condensateur est trop faible pour être détectée.
Une autre limitation liée à la taille est que les matériaux ont tendance à cesser d'être ferroélectriques lorsqu'ils sont trop petits. (Cet effet est lié au « champ de dépolarisation » du ferroélectrique.) Des recherches sont en cours pour résoudre le problème de la stabilisation des matériaux ferroélectriques ; une approche, par exemple, utilise des adsorbants moléculaires.
Consommation d'énergie
Le principal avantage de la FeRAM par rapport à la DRAM réside dans ce qui se passe entre les cycles de lecture et d'écriture. Dans la DRAM, la charge déposée sur les plaques métalliques fuit à travers la couche isolante et le transistor de commande, et disparaît. Pour qu'une DRAM puisse stocker des données pendant une durée significative, chaque cellule doit être lue puis réécrite périodiquement : c'est le processus de rafraîchissement . Chaque cellule doit être rafraîchie plusieurs fois par seconde (généralement la mémoire flash , qui, comme la FeRAM, ne nécessite pas de processus de rafraîchissement. La mémoire flash fonctionne en poussant des électrons à travers une barrière isolante de haute qualité où ils se « bloquent » sur une borne d'un transistor . Ce processus requiert des tensions élevées, qui sont générées au fil du temps par une pompe à charge . De ce fait, on peut s'attendre à ce que la FeRAM consomme moins d'énergie que la mémoire flash, du moins en écriture, car la consommation en écriture de la FeRAM est à peine supérieure à celle en lecture de la FRAM (Smart IC Memory de Texas Instruments) . Pour un appareil principalement utilisé en lecture, la différence peut être minime, mais pour les appareils dont les opérations de lecture et d'écriture sont plus équilibrées, la différence peut être beaucoup plus importante.
Fiabilité
La fiabilité des données est garantie dans les mémoires F-RAM, même en présence de champs magnétiques intenses, contrairement aux mémoires MRAM . Les dispositifs F-RAM de Cypress Semiconductor sont insensibles aux champs magnétiques puissants et ne présentent aucune défaillance aux intensités de champ magnétique maximales disponibles (3 700 gauss pour une insertion horizontale et 2 000 gauss pour une insertion verticale). Les mémoires F-RAM (Smart IC Memory) de Texas Instruments permettent, de plus, la réécriture des données avec un motif différent après exposition aux champs magnétiques
Applications
- Enregistreur de données dans les dispositifs médicaux portables/implantables, car la mémoire FeRAM consomme moins d'énergie que d'autres mémoires non volatiles telles que l'EEPROM
- La conservation des données écoénergétique et fiable de Feram en fait un choix idéal pour les dispositifs IoT tels que l'électronique portable, les capteurs et les actionneurs..
- La mémoire FeRAM est utilisée dans les objets connectés, les compteurs intelligents et les moniteurs médicaux..
- La FRAM présente un potentiel considérable dans l'industrie automobile, l'un de ses principaux avantages étant sa capacité d'écriture rapide. Infineon accueille de nouveaux dispositifs dans sa flotte de RAM ferroélectrique automobile - Actualités .
- Elles sont souvent intégrées dans les étiquettes RFID pour fournir des écritures rapides, une faible consommation d'énergie et une grande endurance, permettant des mises à jour de données sécurisées et fréquentes pour des applications telles que le suivi de la chaîne d'approvisionnement, le contrôle d'accès et les cartes à puce. Raisons de choisir les RFID à FeRAM intégré | RAMXEED .
Marché
La mémoire FeRAM ne représente qu'une part relativement modeste du marché global des semi-conducteurs (Ramtron ). En 2005, les ventes mondiales de semi-conducteurs s'élevaient à 235 milliards de dollars américains (selon le Gartner Group ), dont 18,6 milliards pour la mémoire flash (selon IC Insights) . Le chiffre d'affaires annuel de Ramtron, sans doute le plus important fournisseur de FeRAM, atteignait 32,7 millions de dollars américains en 2005. Le succès bien plus important de la mémoire flash par rapport aux mémoires NVRAM alternatives justifie des investissements en recherche et développement beaucoup plus conséquents. La mémoire flash est produite avec une largeur de ligne de semi-conducteurs de 30 nm chez Samsung (2007), tandis que la FeRAM est produite avec une largeur de ligne de 350 nm chez Fujitsu et de 130 nm chez Texas Instruments (2007). [Introduction à la FRAM (mémoire vive ferroélectrique) et son historique .] Les cellules de mémoire flash peuvent stocker plusieurs bits par cellule (actuellement 4 dans les dispositifs flash NAND à plus haute densité), et le nombre de bits par cellule flash devrait passer à 8 grâce aux innovations dans la conception des cellules flash ( Guide des mémoires flash NAND : comparaison des technologies SLC, MLC, TLC et QLC ). Par conséquent, la densité surfacique de bits de la mémoire flash est bien supérieure à celle de la FeRAM, et le coût par bit de la mémoire flash est donc considérablement inférieur à celui de la FeRAM.
La densité des matrices FeRAM pourrait être augmentée grâce à des améliorations apportées aux procédés de fabrication et à la structure des cellules, notamment par le développement de structures à condensateurs verticaux (à l'instar des DRAM) afin de réduire la surface des cellules. Cependant, une réduction de la taille des cellules risque d'affaiblir considérablement le signal de données, le rendant indétectable. En 2005, Ramtron a annoncé des ventes importantes de ses produits FeRAM dans divers secteurs, dont les compteurs électriques , l'automobile ( boîtes noires , airbags intelligents, etc. ), les équipements bureautiques (imprimantes, contrôleurs RAID, etc. ), l'instrumentation, le matériel médical, les microcontrôleurs industriels et les étiquettes d'identification par radiofréquence (RFID ) . D'autres mémoires NVRAM émergentes, telles que les MRAM, pourraient chercher à investir des marchés de niche similaires, en concurrence avec les FeRAM.
Texas Instruments a démontré qu'il était possible d'intégrer des cellules FeRAM en utilisant deux étapes de masquage supplémentaires lors de la fabrication conventionnelle de semi-conducteurs CMOS. La mémoire Flash nécessite généralement neuf masques. Ceci permet, par exemple, l'intégration de la FeRAM sur des microcontrôleurs, où un processus simplifié permettrait de réduire les coûts. Cependant, les matériaux utilisés pour fabriquer les FeRAM ne sont pas couramment employés dans la fabrication de circuits intégrés CMOS. La couche ferroélectrique PZT et les métaux nobles utilisés pour les électrodes soulèvent des problèmes de compatibilité avec le processus CMOS et de contamination. Texas Instruments a intégré une certaine quantité de mémoire FRAM dans ses microcontrôleurs MSP430 au sein de sa nouvelle série FRAM.
Calendrier des capacités
En 2021, différents fournisseurs vendaient des puces avec une capacité de stockage (densité) n'excédant pas 16 Mo.