铁电随机存取存储器的特性

铁电随机存取存储器具效能、低功耗与保密性

在IoT智能电表、智慧家电甚至是长时间记录生理资讯的应用设备，使用资料易丢失的记忆元件可能并不适宜，随着半导体科技持续进展，FRAM的实用性渐增，更能提升需长期使用、高安全性与高省电应用导入设计...

近年来，在半导体制程技术持续演进下，薄膜制程技术已可在矽晶上制作高品质铁电薄膜，使得铁电随机存取记忆体(Ferroelectric RAM；FRAM)更趋实用化，加上铁电随机存取记忆体的架构、特性不同，在产业的应用上亦受到重视，尤其是铁电薄膜之高介电系数特性，应用在动态随机记忆储存应用上，可以极化值应用于类非挥发性记忆体的资料记录形式，其特殊的元件特性也为常规记忆体产品开辟另一个新的应用方向。

智能电表、智慧家庭等设备，可导入FeRAM提升产品资料安全特性。

挟半导体制程技术持续精进，FeRAM产品实用价值提升，可因应特殊高度资料安全用途设备使用。

FeRAM兼具ROM与RAM特性

铁电随机存取记忆体又可称为FeRAM，是一种采用铁电材质进行记录资料保存的非挥发性记忆体。铁电随机存取记忆体结合随机存取记忆体(Random Access Memory；RAM)与和唯读存储记忆体(Read-Only Memory；ROM)两种不同记忆体的功能特性，尤其是在当系统出现停止电力供应的情境下，铁电随机存取记忆体内所储存的资料亦可持续保存，不受系统设备的断电影响，这对于需要恒时运作、资料采集的功能应用尤其适用。

近几年，因应不同应用需求，各种记忆体技术相继实用化与推出市场，例如：磁阻式随机存取记忆体(Magnetoresistive random-access memory；MRAM)、可变电阻式记忆体(Resistive Random Access Memory；ReRAM)、相变随机存取记忆体(Phase-change random access memory；PRAM)等记忆体技术。

这类新颖的记忆体技术，大多标榜具备更优异的寿命表现，同时在读／写资料效能也能较现有主流记忆体技术表现更优异，但相关记忆体新技术仍未能获量产，反观铁电随机存取记忆体则能广泛使用在电子仪表、POS(Point of Sale)设备、售票机、银行终端设备等，因其具备更好的资料保护效用，使其在特殊应用领域有一定程度的使用数量。

FeRAM耐用度高 记录资料不受放射线干扰

若与传统非挥发性记忆体比较，铁电随机存取记忆体的运作功耗相对较低，而且铁电随机存取记忆体的读／写效能表现也相对较优异，若以目前主流记忆体技术比较，铁电随机存取记忆体的运作功耗仅是EEPROM(Electrically-Erasable Programmable Read-Only Memory)的0.01左右，写入效能远远超越EEPROM，甚至还可与动态随机存取记忆体(Dynamic Random Access Memory；DRAM)、静态随机存取记忆体(Static random-access memory；SRAM)的高速写入效能相抗衡。

除读／写速度表现佳，铁电随机存取记忆体在元件耐用性表现也极佳，不仅耐用表现超越EEPROM与Flash Memory外，铁电随机存取记忆体的耐用寿命可超越EEPROM、Flash Memory一千万倍左右。另铁电随机存取记忆体为利用极化特性进行资料保存，因此即使记忆体元件受放射线干扰，所储存的资料并不会受到影响，资料保护性相当高，尤其适合需高度资料安全的应用设计元件需求。

此外，由于目前主流记忆体元件，为利用电荷储存状态进行记录储存，但电荷储存状态极易受到外部感测储存区的状态，反推原有的储存记录资料，但铁电随机存取记忆体在元件架构为利用极性改变记录数据，因此具备极佳的防窜、盗取等效用，并可防范未经允许的资料读取，例如，以电子显微镜或是其他侦测方法，要导出铁电随机存取记忆体的资料是有难度的，也可避免资料外泄风险。

低功耗表现佳 FeRAM适用极低功耗用途

铁电随机存取记忆体本身的架构特殊，也造就其多元应用的特殊价值，例如在医疗电子设计中，像是呼吸辅助设备若需要监控病人的生理资讯，势必需要选择高度安全、不怕断电的记忆体方案，而当电力耗竭也能随即取回最后记录的储存资料；这种高度要求资料安全的使用场合，仅有铁电随机存取记忆体才能因应医疗用途的需求。

目前多数医疗电子设备大多仍选用SRAM或与EEPROM搭配的储存方案，其中EEPROM仅适合用来储存设备初始资料，面对频繁的生理资讯处理并不适宜，而SRAM若作为生理资料记录也需考量设备断电的资料保存设计，多半会在应用系统搭配记忆体备份电池保存最后储存状态，若是改用铁电随机存取记忆体则可兼具SRAM与EEPROM用途，一次满足监控生理资讯的记录与系统初始资料保存需求。

铁电随机存取记忆体的极低功耗表现，也适合用于嵌入式系统，或是需在小电力供应维持长时间使用的特殊电子产品。例如，穿戴式电子设备、IoT(Internet of Things)物联网应用产品，部分需要极低功耗的设计需求，就适合导入新颖的铁电随机存取记忆体整合设计。

而铁电随机存取记忆体也具备快速写入、无限次读／写的高度耐用特性，甚至还可抗辐射干扰等高安全性应用效果，尤其在电脑断层扫描CT(Computed Tomography)这类高复杂度的电子设备仪器，已有越来越多这类医疗大型机具导入铁电随机存取记忆体元件。

FeRAM适用在高资料安全性要求设备

先前也有提到，铁电随机存取记忆体架构与特性，也相当适合用在需恒时采集使用者状态、生理资讯的穿戴式应用，或是医疗级监控记录应用方面。

因为与具备断电资料续存的EEPROM记忆体元件来比较，铁电随机存取记忆体可以频繁随机写入，可满足穿戴装置、医疗监控设备需恒时记录或定时测量采集资料频繁写入记忆体的需求，当装置发生异常或电力耗竭，设备也不需损失整串未保存的记录资讯，因为铁电随机存取记忆体可预防系统突发断电，而在设备复电后仍可读出留存的记录资料。

也是铁电随机存取记忆体架构上的优势，因为类似EEPROM的资料抹／写动作需以10V电压驱动晶片内容的抹除或是资料写入，较高的电压需求会造成系统的设计难度增加，或是在电子电路出现异常杂讯，这若在对电路品质要求较高的应用系统，就会产生相当大的困扰，例如，在助听器或高精密度实验测试设备中，若因为内部高压干扰出现杂讯，也会因为杂讯问题直接冲击核心应用的使用体验。

智能联网家电或是智慧电表 使用FeRAM可防资料外流

归纳铁电随机存取记忆体架构上的优势，具体会有快速读／写、极低功耗、资料防止窜改等导入优势，尤其是防止窜改特性，更受到智慧电表、IoT物联网应用青睐，未来用量可期。

以智能电表使用情境为例，电表自动量测与记录系统通常包含应用计量与无线通讯两大系统，应用计量为恒时监控用户电量使用状况，而无线通讯则是将采集资料回送至系统进行计费。若使用一般记忆体解决方案，资料就可能在资料的记录与提取部分容易受有心人恶意撷取窜改；若采行铁电随机存取记忆体架构则可提升资料安全特性，同时维持系统的稳定性表现。

加上智慧电表或IoT的资料记录频次密集，一般约每秒1~2次传回终端记录值，读取与写入次数相当频繁，综观各式新一代记忆体架构，现在也只有铁电随机存取记忆体可因应这类特殊应用状况，满足IoT设备所需的特殊记忆体应用需求。另一个重点是，对智慧电表或是智能居家设备而言，在使用的同时已记录大量家庭资讯，为避免资料遭恶意侧录、侵入窜改，导入资料安全性较高、不易遭物理侧录的铁电随机存取记忆体，在安全性表现也会较SARM、EEPROM或是DRAM要更为安全。