F-RAM

F-RAM ehk ferroelektriline RAM (ka FeRAM või FRAM) on säilmälu tüüp (non-volatile), mis sarnaneb DRAMiga, kuid mittejuhtivate kihtide asemel kasutatakse kondensaatoriks ferroelektrilisi kihte. Mittehaihtuvate ehk säilmälude hulka kuuluvad veel näiteks välkmälu ja EEPROM, millega võrreldes on hea F-RAM-i eeliseid välja tuua.

F-RAM võib olla ühendatud mäluna (embedded) kui ka täiesti iseseisev mälutüüp (standalone).

F-RAMi eelised on tema kiirus, väike elektrikulu ja ülisuur vastupidavus kirjutus-lugemiskordadele. Ühtlasi on see seejuures keskkonnasõbralik ja mitu korda radiatsioonikindlam kui muud tüüpi mälud.

Positiivne on veel see, et F-RAM-i tehnoloogia tagab selle, et pole vaja kasutada patareisid või akusid mälu talletamiseks (see aspekt sarnaneb teiste säilmälude omaga). Nõnda säästetakse ühest küljest loodust ja ühtlasi on ka trükkplaatidel sellevõra rohkem ruumi või saab selle arvelt teha plaadid väiksemad ja seega masinad kompaktsemad. Hoitakse kokku ka lõppsaaduse hinnalt.

F-RAM-i on võimalik kasutada kõikjal, kus on vaja kiiret säilmälu. Saab kasutada lihtsa andmete hoidjana, erinevate masinate või süsteemide seadete või staatuse talletamiseks. Vastavat infot on võimalik kasutada ka hiljem – näiteks tehaseseadete taastamisel, seadme eelmise teadaoleva konfiguratsiooni taastamisel või muudes analüüsides.

Ehitus 

F-RAM-i kiip sisaldab ferroelektrikukihti, mis koosneb pliitsirkonaattitanaadist [Pb(Zr,Ti)O3], tuntud ka kui PZT. Zr ja Ti aatomid muudavad PZT ühendis elektrivälja esinemisel polaarsust – seetõttu tekib binaarne vahetus. Erinevalt teistest RAM-mäludest (SRAM, DRAM), säilitab F-RAM oma mälu, kui elektriväli kaob või seda häiritakse. See efekt toimib tänu PZT kristallide polaarsuse säilimisele. Just see teebki F-RAMi säilmäluks (mälus hoitavad andmed eksisteerivad olenemata elektrivälja esinemisest).

Kirjutamine F-RAM-mälust toimub järgmiselt: ferroelektrilisele kihile suunatakse elektriväli – laetakse plaadi mõlemat külge, mis sunnib aatomeid ühele või teisele poolele minema. Suund olenebki otseselt laengu polaarsusest. Nõnda kirjutatakse binaarne kood.

Lugemine toimib järgmiselt: transistoriga "mõõdetakse", kas mingis kohas on aatom vastaval poolel või mitte. Näiteks kui mingi biti väärtus on "0", siis ei juhtu seal midagi ning transistor käsitleb seda kui "0". Kui esineb "1", siis aatomite ümberorienteerimine kihil tekitab õrna vooluimpulsi, sest elektronid surutakse teisele küljele. Seda impulssi loetakse transistori poolt kui "1".

Eelised muud tüüpi mälude ees

Voolutarve 
Nagu juba mainitud, sarnaneb F-RAM ehituselt DRAM-iga. Kontrastiks võikski välja tuua, mille peale DRAM-il voolu läheb: DRAMi puhul antakse laeng metallplaatidele, mis n-ö hajub isoleeriva kihi ja kontrolliva transistori vahelt välja ning kaob. Et DRAM-ile lisada andmeid mikrosekundites pikema aja jooksul, peab iga mälupesa perioodiliselt lugema ja uuesti kirjutama – värskendama. See olukord nõuab pidevat voolu olemasolu. 
F-RAMil aga on voolu vaja ainult siis, kui sisu reaalselt loetakse. Seepärast on voolutarve F-RAM-il 99% väiksem kui DRAM-il.

Kirjutamiseks ja lugemiseks on tarvis kõigest 1,5 V, mis ei nõua isegi laengupumba olemasolu (charge pump), mida kasutavad näiteks EEPROM ja välkmälu (flash).

Võrreldes välkmäluga on voolutarve F-RAM-i puhul 250 korda väiksem.See tulemus saadi järgmisel katsel:Katsetingimused:
 CPU kiirus 8 MHz
 12 kB/s läbilase
Tulemused: 
 välkmälu: 2200 μA
 F-RAM 9μA

Kiirus 
F-RAM on äärmiselt kiire, võrreldes teiste mälutüüpidega. Tema maksimaalne läbilase on 1200 kB/s, kui näiteks välkmälul on 12 kB/s. Katse, kus testiti F-RAM-i ja välkmälu nende maksimaalsete väljalasete juures, saadi tulemuseks ka, et F-RAM tarbib sada korda suurema kiiruse juures kolm korda vähem voolu.

Katsetingimused
 CPU taktsagedus 8 MHz
 mõlemad mälutüübid kirjutasid 512 B suurusi pakette

Tulemused: 
 F-RAM maksimaalse läbilaske juures (1400 kB/s) – 730 μA
 välkmälu maksimaalse läbilaske juures (12 kB/s) – 2200 μA

Teoreetiliselt täielik vastupidavus kirjutus-lugemistsüklitele  
Üks kõige suurem eelis muud tüüpi mälude ees on F-RAM-i pikk eluiga. Ükski teine mälutüüp ei ole nii vastupidav lugemis-kirjutustsüklitele. Teoreetiliselt võiks öelda, et F-RAM on kulumatu, kuid tegelikult siiski esineb mingi piir. 
Samas, kui näiteks välkmälu tüüpiline eluiga on umbes 100 000 lugemis-kirjutustsüklit, siis F-RAM-i puhul on see number 1015 tsüklit. 
See tulemus saadi katsel, kus tehti järjestikuseid lugemis-kirjutustsükleid. Katsetingimused: 
 CPU kiirus 8 MHz,
 mõlemad (F-RAM ja välkmälu) seatud 12 kB/s väljalaske juurde (tüüpiline mälukasutus)

Tulemused:
 välkmälu püsis 6,6 minutit ja seejärel hävis;
 F-RAM püsis 6,6 x 1010 sekundit ja hävis.

See näitab, et vastavate mälutüüpide vahe on 10 000 000 000-kordne.

Radiatsioonikindlus ja turvalisus 

F-RAM on robustsem ja seejuures täpsem kui teised säilmälud (välkmälu- ja EEPROM-tehnoloogiad). Kuna F-RAM on kristallide põhine, mitte laadimispõhine, siis on ta väga veakindel ning oma kiirete tegevuste tõttu on ta esiteks väga radiatsioonikindel, mis avab näiteks võimaluse kasutada F-RAM-i näiteks satelliidi elektroonikas või elektroonikas, mida kasutatakse suure radiatsiooniga piirkondade seiresüsteemides või robotites. 
Kuna F-RAM-i lugemis- ja kirjutuskiirus on äärmiselt kiired, siis ei ole vastavat informatsiooni ka nii kerge jälgida – see teeb F-RAM-mälul põhinevad turvaelemendid (näiteks erinevates kiibiga kaartides – pangakaardid jms) jälitamatuks ning seega väga turvaliseks.
F-RAM võimaldab teha kõrgekvaliteetseid toiminguid.

Puudused 

 Tänapäeval on nende salvestusmahud väiksemad kui muud tüüpi mäludel.
 F-RAM-i kasutamine on kallim kui muud tüüpi mälude kasutamine.

Kokkuvõte 
Võiks tuua välja veel ühe eksiarvamuse F-RAM-i kohta: kiputakse arvama, et ferroelektrilised kristallid on ferromagnetilised või neil on vähemalt samad omadused. Tegelikult pole ferroelektrilised materjalid magnetväljade poolt mõjutatavad.

Olgugi et ferromagnetilisel RAM-il on palju väga häid omadusi, mis justkui võiksid kohe-kohe alternatiivsed mälutüübid turult välja tõrjuda, pole F-RAM veel nii laialdast kasutust leidnud. Pigem on selle tehnoloogia kasutamine alles lapsekingades ja esialgu domineerivad veel vanemad mälutüübid. Ilmselt on selle põhjus vähene teadlikkus F-RAM-i eelistest või ka tema kõrgem hind.

Viited

Välislingid 
 Ferroelektriline mälu, eelistermin
 Magnetic-core memory

Digitaaltehnika
Arvuti mälu