鐵電隨機存取記憶體具效能、低功耗與保密性

智能電錶、智慧家庭等設備，可導入FeRAM提升產品資料安全特性。fujitsu

在IoT智能電表、智慧家電甚至是長時間記錄生理資訊的應用設備，使用資料易丟失的記憶元件可能並不適宜，隨著半導體科技持續進展，FRAM的實用性漸增，更能提升需長期使用、高安全性與高省電應用導入設計...

近年來，在半導體製程技術持續演進下，薄膜製程技術已可在矽晶上製作高品質鐵電薄膜，使得鐵電隨機存取記憶體(Ferroelectric RAM；FRAM)更趨實用化，加上鐵電隨機存取記憶體的架構、特性不同，在產業的應用上亦受到重視，尤其是鐵電薄膜之高介電係數特性，應用在動態隨機記憶儲存應用上，可以極化值應用於類非揮發性記憶體的資料記錄形式，其特殊的元件特性也為常規記憶體產品開闢另一個新的應用方向。

FeRAM兼具ROM與RAM特性

鐵電隨機存取記憶體又可稱為FeRAM，是一種採用鐵電材質進行記錄資料保存的非揮發性記憶體。鐵電隨機存取記憶體結合隨機存取記憶體(Random Access Memory；RAM)與和唯讀存儲記憶體(Read-Only Memory；ROM)兩種不同記憶體的功能特性，尤其是在當系統出現停止電力供應的情境下，鐵電隨機存取記憶體內所儲存的資料亦可持續保存，不受系統設備的斷電影響，這對於需要恆時運作、資料採集的功能應用尤其適用。

近幾年，因應不同應用需求，各種記憶體技術相繼實用化與推出市場，例如：磁阻式隨機存取記憶體(Magnetoresistive random-access memory；MRAM)、可變電阻式記憶體(Resistive Random Access Memory；ReRAM)、相變隨機存取記憶體(Phase-change random access memory；PRAM)等記憶體技術。

這類新穎的記憶體技術，大多標榜具備更優異的壽命表現，同時在讀？寫資料效能也能較現有主流記憶體技術表現更優異，但相關記憶體新技術仍未能獲量產，反觀鐵電隨機存取記憶體則能廣泛使用在電子儀表、POS(Point of Sale)設備、售票機、銀行終端設備等，因其具備更好的資料保護效用，使其在特殊應用領域有一定程度的使用數量。

FeRAM耐用度高  記錄資料不受放射線干擾

若與傳統非揮發性記憶體比較，鐵電隨機存取記憶體的運作功耗相對較低，而且鐵電隨機存取記憶體的讀？寫效能表現也相對較優異，若以目前主流記憶體技術比較，鐵電隨機存取記憶體的運作功耗僅是EEPROM(Electrically-Erasable Programmable Read-Only Memory)的0.01左右，寫入效能遠遠超越EEPROM，甚至還可與動態隨機存取記憶體(Dynamic Random Access Memory；DRAM)、靜態隨機存取記憶體(Static random-access memory；SRAM)的高速寫入效能相抗衡。

除讀？寫速度表現佳，鐵電隨機存取記憶體在元件耐用性表現也極佳，不僅耐用表現超越EEPROM與Flash Memory外，鐵電隨機存取記憶體的耐用壽命可超越EEPROM、Flash Memory一千萬倍左右。另鐵電隨機存取記憶體為利用極化特性進行資料保存，因此即使記憶體元件受放射線干擾，所儲存的資料並不會受到影響，資料保護性相當高，尤其適合需高度資料安全的應用設計元件需求。

此外，由於目前主流記憶體元件，為利用電荷儲存狀態進行記錄儲存，但電荷儲存狀態極易受到外部感測儲存區的狀態，反推原有的儲存記錄資料，但鐵電隨機存取記憶體在元件架構為利用極性改變記錄數據，因此具備極佳的防竄、盜取等效用，並可防範未經允許的資料讀取，例如，以電子顯微鏡或是其他偵測方法，要導出鐵電隨機存取記憶體的資料是有難度的，也可避免資料外洩風險。

低功耗表現佳  FeRAM適用極低功耗用途

鐵電隨機存取記憶體本身的架構特殊，也造就其多元應用的特殊價值，例如在醫療電子設計中，像是呼吸輔助設備若需要監控病人的生理資訊，勢必需要選擇高度安全、不怕斷電的記憶體方案，而當電力耗竭也能隨即取回最後記錄的儲存資料；這種高度要求資料安全的使用場合，僅有鐵電隨機存取記憶體才能因應醫療用途的需求。

目前多數醫療電子設備大多仍選用SRAM或與EEPROM搭配的儲存方案，其中EEPROM僅適合用來儲存設備初始資料，面對頻繁的生理資訊處理並不適宜，而SRAM若作為生理資料記錄也需考量設備斷電的資料保存設計，多半會在應用系統搭配記憶體備份電池保存最後儲存狀態，若是改用鐵電隨機存取記憶體則可兼具SRAM與EEPROM用途，一次滿足監控生理資訊的記錄與系統初始資料保存需求。

鐵電隨機存取記憶體的極低功耗表現，也適合用於嵌入式系統，或是需在小電力供應維持長時間使用的特殊電子產品。例如，穿戴式電子設備、IoT(Internet of Things)物聯網應用產品，部分需要極低功耗的設計需求，就適合導入新穎的鐵電隨機存取記憶體整合設計。

而鐵電隨機存取記憶體也具備快速寫入、無限次讀？寫的高度耐用特性，甚至還可抗輻射干擾等高安全性應用效果，尤其在電腦斷層掃描CT(Computed Tomography)這類高複雜度的電子設備儀器，已有越來越多這類醫療大型機具導入鐵電隨機存取記憶體元件。

FeRAM適用在高資料安全性要求設備

先前也有提到，鐵電隨機存取記憶體架構與特性，也相當適合用在需恆時採集使用者狀態、生理資訊的穿戴式應用，或是醫療級監控記錄應用方面。

因為與具備斷電資料續存的EEPROM記憶體元件來比較，鐵電隨機存取記憶體可以頻繁隨機寫入，可滿足穿戴裝置、醫療監控設備需恆時記錄或定時測量採集資料頻繁寫入記憶體的需求，當裝置發生異常或電力耗竭，設備也不需損失整串未保存的記錄資訊，因為鐵電隨機存取記憶體可預防系統突發斷電，而在設備復電後仍可讀出留存的記錄資料。

也是鐵電隨機存取記憶體架構上的優勢，因為類似EEPROM的資料抹？寫動作需以10V電壓驅動晶片內容的抹除或是資料寫入，較高的電壓需求會造成系統的設計難度增加，或是在電子電路出現異常雜訊，這若在對電路品質要求較高的應用系統，就會產生相當大的困擾，例如，在助聽器或高精密度實驗測試設備中，若因為內部高壓干擾出現雜訊，也會因為雜訊問題直接衝擊核心應用的使用體驗。

智能聯網家電或是智慧電錶  使用FeRAM可防資料外流

歸納鐵電隨機存取記憶體架構上的優勢，具體會有快速讀？寫、極低功耗、資料防止竄改等導入優勢，尤其是防止竄改特性，更受到智慧電錶、IoT物聯網應用青睞，未來用量可期。

以智能電錶使用情境為例，電錶自動量測與記錄系統通常包含應用計量與無線通訊兩大系統，應用計量為恆時監控用戶電量使用狀況，而無線通訊則是將採集資料回送至系統進行計費。若使用一般記憶體解決方案，資料就可能在資料的記錄與提取部分容易受有心人惡意擷取竄改；若採行鐵電隨機存取記憶體架構則可提升資料安全特性，同時維持系統的穩定性表現。

加上智慧電錶或IoT的資料記錄頻次密集，一般約每秒1~2次傳回終端記錄值，讀取與寫入次數相當頻繁，綜觀各式新一代記憶體架構，現在也只有鐵電隨機存取記憶體可因應這類特殊應用狀況，滿足IoT設備所需的特殊記憶體應用需求。另一個重點是，對智慧電錶或是智能居家設備而言，在使用的同時已記錄大量家庭資訊，為避免資料遭惡意側錄、侵入竄改，導入資料安全性較高、不易遭物理側錄的鐵電隨機存取記憶體，在安全性表現也會較SARM、EEPROM或是DRAM要更為安全。