Actualizado a: 22 de enero de 2024
Como ya hemos adelantados en los diferentes artículos hemos visto algunos posibles sustitutos de la actual memoria RAM o memoria principal, o de algún elemento de la actual jerarquía de memoria. Hoy vamos a hablar también sobre otra tecnología de memoria que también podría ser un sustituto de la DRAM actual e incluso de las unidades SSD, ya que es no volátil. Me estoy refiriendo a la memoria FRAM o también conocida como FeRAM. Es decir, una memoria ferroeléctrica, que puede parecer algo que recuerda a las antiguas memorias de ferrita (o núcleo magnético), pero que no tiene nada que ver como podrás comprobar…
¿Qué es la FeRAM?
La FRAM o FeRAM es una memoria RAM ferroeléctrica. Se puede asemejar a una SDRAM actual, sin embargo, tiene algunas diferencias notables. Por un lado, la celda básica de esta memoria usa un transistor MOSFET convencional con un condensador creado en material ferroeléctrico, de ahí su nombre.
De esta forma, la celda de memoria podría conservar los datos almacenados incluso cuando la alimentación de energía ha cesado. Es decir, se trata de una memoria no volátil, pero seguiría siendo rápida como una memoria RAM convencional. Además, al no necesitar suministro de energía constante, también supondrá un consumo muy inferior. Eso significa que tendríamos lo mejor de ambos mundos, de la memoria flash y de la RAM en un mismo dispositivo.
Esto podría tener grandes aplicaciones en el sector HPC, y de consumo.
En cuanto a la estructura, como se puede apreciar en la imagen anterior, se trata de un transistor MOSFET fabricado con tecnología CMOS convencional como los semiconductores convencionales, pero que en uno de los pilares de metal se crearía un condensador ferroeléctrico que almacenaría la información. De esta forma, tenemos que:
- El condensador puede cambiar entre dos posibles estados de polarización, P- y P+, lo que implicaría poder interpretarlo como un bit 0 o 1.
- Para su lectura o escritura, simplemente habría que elegir la línea de bit específica de la celda, y la línea de palabra que es la puerta del transistor en este caso.
- Así, aplicando las tensiones adecuadas, se puede leer o escribir el valor deseado. Una vez escrito el bit, no es necesario seguir alimentando la celda de memoria, por lo que se puede dejar de suministrar energía y el bit se mantiene en el condensador ferroeléctrico.
Además, no solo tiene las ventajas de un SSD y las de una RAM, también puede borrar por celdas independientes, algo que no es posible en las actuales unidades SSD, lo que puede resultar una ventaja, especialmente para bajar los ciclos que dañan la vida de estas celdas.
El condensador FRAM
Por otro lado, es importante destacar que la FRAM actual se basa en condensadores creados con HfO2 dopado con circonio. Estos materiales se pueden depositar mediante los métodos de fabricación convencionales usados para los chips semiconductores de las memorias actuales, por lo que no implicaría modificaciones de las fábricas ni inversiones importantes.
Ahora bien, para mejorar la compatibilidad lógica entre chips CMOS, los investigadores están tratando de mejorar estas FRAM para que se pueda usar voltaje de escritura de menos de 1.5v, ya que actualmente es superior. Desgraciadamente, los óxidos de hafnio tienen campos coercitivos que necesitan voltajes de escritura muy altos, motivo por el que esta FRAM no se ha extendido por el mercado.
Por otro lado, al necesitar de voltajes altos para la conmutación del condensador ferroeléctrico, también hace que la fiabilidad de la celda se resienta a largo plazo, por lo que tendrá una vida útil limitada. Esto es algo que se puede solucionar si se encuentra una solución para lo anterior. Y es que, durante la deposición de los materiales para crear la celda, se crece un óxido metálico entre las placas ferroeléctricas y el metal del condensador, sirviendo como pasivador entre ambas uniones. Pero esta interfaz se va degradando con la conmutación o escrituras, y eso afecta a la vida, perjudicando la retención de información.
Tecnologías
Actualmente, existen varios tipos de memoria FRAM o FeRAM que debes conocer, y estos son:
- Uniones de túneles ferroeléctricos: mediante polarización modula la barrera de túneles de unión y su resistencia. Sin embargo, cuando el espesor de la capa ferroeléctrica es más delgado, se aumenta el riesgo de sufrir efecto túnel indeseado. No obstante, adelgazar esta capa también reduce la relación de corriente de encendido/apagado. Por otro lado, aumentar la polarización puede contribuir a mejorar la relación de corriente para la conmutación entre el encendido y apagado. Así mismo, hay que decir que la presencia de un campo de despolarización no es deseable en la FeRAM, puesto que reduce el tiempo de retención del bit almacenado. Sin embargo, en los FTJ sí que es necesario el campo de despolarización para asegurarse de que los estados «encendido» y «apagado» tengan diferentes alturas de barrera.
- FeFET: este tipo de transistor de efecto de campo es similar a los usados ahora en chips CMOS convencionales, lo que indica que puede ser fabricado con métodos de fabricación convencionales. Su nombre proviene de transistores de efecto de campo ferroeléctricos (Ferroelectric Field Effect Transistor). A diferencia de los anteriores, en estos transistores tendremos la capa ferroeléctrica en serie con un material dieléctrico convencional, y puede tener o no una capa de metal intermedia. Además, en este tipo de celda FRAM, el voltaje umbral depende del estado de polarización del material ferroeléctrico.
Estructuras para la FRAM
Los investigadores también están desarrollando nuevas estructuras para mejorar estas FRAM, y se basan en
- MFMIS: Metal/Ferroeléctrico/Metal/Aislante/Semiconductor.
- MFIS: Metal/Ferroeléctrico/Aislante/Semiconductor.
Estas estructuras permiten solucionar algunos inconvenientes…
Debes saber que las memorias FeFET son similares a los transistores lógicos ferroeléctricos. Por tanto, cuando se cambia el estado de polarización en el material ferroeléctrico, se produce un pico de voltaje muy pronunciado en el transistor MOSFET, lo que puede generar problemas.
Por ejemplo, podrían inducir defectos y atrapamiento de carga. Como dije anteriormente, en una FRAM se tiene el bit de información almacenado como un remanente de polarización de uno u otro signo, en función del valor del bit. Sin embargo, este remanente podría reducir su intensidad con estos picos de voltaje, lo que hace que con el tiempo sea cada vez más difícil poder leer los datos.
¿Sustituirá la FRAM a la RAM?
Para finalizar, decir que por el momento nos vamos a quedar con la actual memoria flash y la memoria RAM por muchos años. Todas las nuevas tecnologías que han surgido para sustituir a la RAM han terminado siendo fracasos o tienen algunos problemas por resolver para comercializarlas de forma masiva. Todos tenemos en mente el caso de las Intel Optane, que han terminado por desaparecer cuando parecían una panacea…
Por tanto, por el momento será extraño que veamos memorias basadas en FeFET o FRAM en el mercado a corto plazo. Tan solo se trata de prototipos por el momento hasta que no se resuelvan los problemas citados. Sin embargo, no hay que despreciar lo que la FRAM podría suponer, así que esperemos que finalmente se puedan resolver las barreras que ahora las separan de aplicaciones viables…
