Grzegorz Kamiński: Nowe pamięci nieulotne (część 3 ) – FRAM

Jak już  wspomniałem na LinkedIn następna w kolejności z nowych pamięci nieulotnych jest pamięć FRAM. W jej przypadku firmy analityczne są zgodne, że ma najmniejszy potencjał do wzrostu rynku. Wszystkie przewidują że wzrost roczny będzie w zakresie 3-6%, a więc niezbyt imponujący, w porównaniu z innymi typami pamięci. Czy tak rzeczywiście będzie? Zobaczymy, a ten tekst ma na celu także odpowiedź na pytanie, jakie są perspektywy rozwoju tej technologii.

Podobnie jak w poprzednich artykułach, zacznijmy od kompletnie podstawowych informacji. Ferroelektryczna pamięć o dostępie swobodnym (FRAM lub FeRAM – Ferroelectric Random Access Memory) to technologia nieulotnej pamięci półprzewodnikowej, w której dane przechowywane są z wykorzystaniem stanu polaryzacji materiału ferroelektrycznego.
W przeciwieństwie do konwencjonalnej pamięci RAM, FRAM zachowuje dane nawet po odłączeniu zasilania. Łączy ona szybkość zapisu i niski pobór energii, typowe dla pamięci RAM, ze zdolnością do trwałego przechowywania danych, charakterystyczną dla pamięci nieulotnych.

Pamięć FRAM znajduje zastosowanie w rozwiązaniach wymagających:

• niskiego poboru mocy podczas przechowywania danych,
• szybkiego zapisu,
• dużej trwałości zapisu,
• niezawodnego przechowywania danych,
• częstego rejestrowania i aktualizowania.

Jej kluczową cechą wyróżniającą jest zastosowanie warstwy ferroelektrycznej w komórce pamięci, co umożliwia przechowywanie informacji dzięki polaryzacji, którą można przełączać za pomocą pola elektrycznego.

Działanie pamięci FeRAM polega na przełączaniu komórki pamięci między różnymi stanami polaryzacji materiału ferroelektrycznego:

• Stan polaryzacji  w kierunku górnej elektrody (polarization up oznaczane także jako P-): zazwyczaj odpowiada wartości binarnej „1”.
• Stan polaryzacji  w kierunku dolnej elektrody (polarization down oznaczane także jako P+): zazwyczaj odpowiada wartości binarnej „0”.

Przypisanie wartości 0 i 1 jest kwestią umowną i może zostać odwrócone.

FRAM – struktura i rodzaje pamięci

Podstawowa komórka pamięci nieulotnej FRAM ma strukturę nieco bardziej skomplikowaną niż komórka pamięci RRAM. Górna elektroda metalowa ( Top metal – będę używał nazw z rysunku poniżej) dla tradycyjnej pamięci FRAM jest wykonana z platyny Pt lub irydu (Ir), czasami z tlenku irydu (IrO2). Dolna elektroda (Bottom metal) z tych samych metali lub tlenku irydu.

Górna elektroda najczęściej jest to Word line (WL), służąca do wyboru komórki pamięci, dlatego na kolejnym rysunku jest połączona także z bramką tranzystora kontrolującego dostęp do komórki pamięci ( układ 1T1C). Do tej elektrody jest przykładane także napięcie do kondensatora, tzw. Plate Line (PL). Metalizacja “bottom” jest uziemiona lub może też pełnić linie bitów (Bit Line – BL) i bierze udział w procesie zapisu i odczytu wartości w komórce pamięci FRAM. Częściej jednak BL to źródło tranzystora kontrolującego dostęp do komórki pamięci ( układ 1T1C) – kolejny rysunek. Pomiędzy metalizacją a warstwą ferrorelektryczną są warstwy izolujące, najczęściej z dwutlenku krzemu SiO2.

Kluczową rolę w komórce tradycyjnej pamięci FRAM pełni warstwa ferroelektryczna.

W tradycyjnej komórce FRAM, najczęściej w tym miejscu jest warstwa cyrkonianu tytanianu ołowiu (PZT – Pb(ZrXTi1-X)O3) lub tantalan strontu i bizmutu (SBT – SrBi2Ta2O9). Częściej w opisach tego rodzaju pamięci spotykałem się z PZT, mimo iż zawiera ołów, to jest dość popularnym związkiem w elektronice. Oprócz tego, że jest to materiał ferroelektryczny to bardziej znany jest jako piezoelektryk. Dlatego znajduje zastosowanie np. w MEMS-ach, ale także w medycynie (głowice ultrasonografów) przemyśle samochodowym (wtryski w układach Common Rail ) i w szeregu innych zastosowaniach.

Na rysunku powyżej widzimy uproszczony schemat typowej komórki pamięci FRAM (FeRAM). Kondensator (Capacitor) jest powiększony i umieszczony obok dla większej przejrzystości. Komentarza wymaga warstwa opisana jako ILD. To nic innego, jak warstwa izolacyjna dielektryka np. dwutlenku krzemu.

Już kilka razy użyłem sformułowania “tradycyjna pamięć FRAM”. To pamięć w konfiguracji, gdzie elementem pamiętającym jest kondensator. Nie ładunek na kondensatorze decyduje o tym, co jest zapisane w komórce pamięci, a stan polaryzacji ferroelektrycznego dielektryka, np. PZT.  Jaka więc jest ta “nietradycyjna” pamięć. To pamięć typu FeFET, gdzie elementem ferroelektrycznym jest tlenek bramki tranzystora. W takiej pamięci nie ma kondensatora, a jest tylko tranzystor. Z tego powodu ten rodzaj pamięci odznacza się większą kompatybilnością z typową technologią CMOS oraz skalowalność jest lepsza, co oznacza, że powierzchnia komórki FeRAM jest znacznie mniejsza. W tradycyjnej FRAM powierzchnia komórki pamięci wynosi 15-25 F2, a dla FeFET to tylko 4-6 F2. To już jest wartość porównywalna z pamięciami NAND Flash czy DRAM. Taka struktura jest to 1T, elementem pamiętającym jest sam tranzystor.

Rysunek powyżej pokazuje, jak w trzech prostych krokach zamienić tradycyjny tranzystor wykonany w zaawansowanej technologii na tranzystor będący komórką pamięci FeRAM, w tym przypadku zwaną FeFET. Krok pierwszy, to tranzystor musi mieć tlenek bramki wykonany z dwutlenku hafnu ( HfO2) – tzw. tlenek high-k. Tlenek ten powinien być domieszkowany, poprzez wygrzanie, domieszka jest aktywowana i gotowe. Cały proces nie jest taki prosty i oczywiście – tak jak to widać na rysunku – chroniony jest patentami. Jako domieszki stosuje się Al, Si, lub Zr (cyrkon). Czasami w tym miejscu jest zmodyfikowany tlenek hafnu tzw. HZT (Hf0,5Zr0,5O2). Warstwę taką można uzyskać w procesie ALD.

W tabeli porównane są trzy wyżej opisane technologie. Najbardziej perspektywiczna jest nowa technologia FeFET z domieszkowanym tlenkiem hafnu, dlatego zaznaczyłem ją na zielono. Najpowszechniejsza i najlepiej opanowana jest technologia z dielektrykiem PZT, tradycyjna pamięć FRAM w układzie 1T1C – zaznaczyłem ją na żółto. SBT to raczej ciekawostka, bez większej komercyjnej przyszłości, moim zdaniem i dlatego zaznaczyłem ją na czerwono.

Zasada działania

Jeśli już wiemy, jakie rodzaje pamięci FRAM (FeRAM) są dostępne, to możemy przejść do zasady ich działania.

Zarówno FRAM (FeRAM), jak i FeFET wykorzystują zjawisko ferroelektryczności (zdolności materiału do zachowania polaryzacji elektrycznej po usunięciu pola zewnętrznego), jednak realizują zapis i odczyt w zupełnie odmienny sposób, wynikający wprost z ich konstrukcji.

Zacznijmy od tradycyjnej pamięci FRAM której konstrukcja opiera się na strukturze 1T1C, podobnie jak w klasycznej pamięci DRAM. Informacja jest przechowywana w kondensatorze z dielektrykiem ferroelektrycznym np. PZT.

Zapis: Przebiega poprzez nałożenie odpowiedniego impulsu napięcia na okładki kondensatora za pośrednictwem linii bitu (Bit Line) i płyty (Plate Line). Pole elektryczne trwale obraca domeny dipoli wewnątrz kryształu (stan +P to np. „0”, a -P to „1”). Zapis polega na bezpośrednim nadpisaniu starego stanu, bez wcześniejszego kasowania. Napięcie zapisu to zazwyczaj typowe napięcie stosowane w układach scalonych 1,2 -3,3 V.

Kasowanie: W pamięciach FRAM nie występuje dedykowany proces kasowania (jak np. w pamięciach NAND Flash). Każda komórka pozwala na swobodny dostęp i natychmiastową modyfikację pojedynczych bajtów.

Odczyt: No i tutaj objawia się jedna z wad pamięci FRAM, ponieważ proses odczytu jest niszczący (destructive read). Podczas odczytu do kondensatora przykładane jest napięcie i mierzony prąd (ładunek) wyjściowy. Jeśli polaryzacja kondensatora ulegnie odwróceniu pod wpływem napięcia odczytu, generowany jest duży impuls prądu (wykrywany jako „1”). Jeżeli polaryzacja była zgodna, impuls jest mały („0”). Ponieważ proces odczytu wymusza zmianę polaryzacji dipoli w przypadku stanu „1”, układy sterujące muszą automatycznie przywrócić (przepisać) stan pierwotny, natychmiast po odczycie. Nie jest to jakaś krytyczna wada, ale trzeba o tym wiedzieć i ma to wpływ na czas odczytu. Dla pamięci FRAM czas odczytu to 20-70 ns. Dla FeFET to tylko 10-50 ns.

A jak to wygląda dla FeFET?  Dobrze cały proces przedstawia rysunek poniżej.

W architekturze FeFET kondensator i tranzystor są połączone w jedno urządzenie o strukturze 1T (jeden tranzystor). Warstwa ferroelektryka (najczęściej na bazie tlenku hafnu (HfO2)  jest zintegrowana bezpośrednio w bramce tranzystora MOSFET, w tym wypadku typu n.

Zapis / Kasowanie: Odbywa się poprzez podanie impulsu napięciowego na metalową bramkę tranzystora. Polaryzacja dipoli w ferroelektryku bezpośrednio wpływa na kanał krzemowy pod bramką, trwale modyfikując napięcie progowe otwarcia tranzystora (Vth). Zapis logicznego „1”: Impuls dodatni polaryzuje dipole w dół, co obniża napięcie progowe Vth tranzystora (tranzystor “łatwiej” przewodzi prąd).

Kasowanie do „0”: Impuls ujemny odwraca dipole w górę, co drastycznie podwyższa napięcie progowe Vth. Podobnie jak w tradycyjnym komórkach NAND Flash, proces ten traktowany jest jako operacja Programowania/Kasowania (P/E), chociaż odbywa się na poziomie pojedynczych tranzystorów o wiele szybciej.

Odczyt: Co bardzo istotne, jest to odczyt nieniszczący (non-destructive read). Aby sprawdzić stan komórki, na bramkę podaje się niewielkie napięcie pośrednie (pomiędzy niskim a wysokim Vth). Układ sprawdza, czy przez kanał (od źródła do drenu) płynie prąd. Ponieważ domeny ferroelektryczne nie zmieniają swojego kierunku podczas tej operacji, dane nie są naruszane i nie ma potrzeby ich ponownego odświeżenia. Zwykle napięcia zapisu czy kasowania są nieco wyższe niż dla pamięci FRAM, w przedziale 1,5 – 4,0V, ale nie są to na tyle istotne różnice, by stanowiło to znaczący problem konstrukcyjno-technologiczny.

Muszę jeszcze wyjaśnić, co na rysunku oznacza elektroda FBB/RBB. To elektroda służąca do polaryzacji podłoża (Forward lub Reverse), która ma wpływ na szybkość zapisu i odczytu oraz na pobór energii przez komórkę pamięci.

W poprzednim artykule podobną tabelę przedstawiłem na końcu w podsumowaniu. Teraz tabela ta pomoże mi w wyjaśnieniu kwestii związanych z materiałami i wytwarzaniem pamięci FRAM oraz w przedstawieniu aplikacji dla tych pamięci. Wiele z parametrów podanych powyżej wymaga dodatkowego wyjaśnienia, ale w tym miejscu odniosę się tylko do tych, które są związane z zasadą działania tych pamięci lub ich strukturą. Te, które związane są z wytwarzaniem, materiałami lub zastosowaniem, omówię poniżej w odnoszących się do nich częściach artykułu.

O rozmiarze i konstrukcji komórki już pisałem. O napięciu zapisu i kasowania także, dla pamięci FRAM i FeFET. Komentarza wymaga pamięć Flash, do której porównujemy pamięci FRAM. Napięcie odczytu jest niskie tylko na tyle, by stwierdzić jaki prąd płynie przez tranzystor, ale napięcia zapisu czy kasowania już są powyżej 10V. Z tym, a także z konstrukcją pamięci, wiążę się energia operacji zapisu i odczytu oraz szybkość tych operacji. W przypadku pamięci Flash można zapisywać nawet do 5 bitów w jednej komórce pamięci (typowo w pamięciach stosowanych w SSD są to 3 bity), ale już w pamięciach wbudowanych ta technika nie jest stosowana, dlatego napisałem w tabeli “tak/nie”. Zgodność z technologią CMOS – dla pamięci Flash określiłem ją jako małą, bo jej wytworzenie wymaga wielu dodatkowych procesów w przypadku pamięci wbudowanej (7-16 fotolitografii). Jednak proces technologiczny jest dobrze znany i opanowany – to spowodowało, że mimo iż określiłem, że zgodność jest mała, to zaznaczyłem ten parametr kolorem żółtym.

Skalowalność – obecnie także pamięci FeFET – wykonuje się w technologii 22nm np. GlabalFoundries oferuje próbki takich pamięci w technologii 22nm FD-SOI, ale potencjał do dalszego zmniejszania rozmiarów jest bardzo duży. W imec trwają prace nad technologią 7nm FD-SOI, a to pewnie umożliwiłoby zastosowanie tej technologii także do pamięci FeRAM. Na  tym etapie to tyle komentarza do tabeli powyżej.

Materiały i ich wytwarzanie

W tym miejscu pominę opis wytwarzania i materiały dla pamięci w wersji FeFET, ponieważ jest to proces w dużej mierze kompatybilny z normalną technologią wytwarzania zaawansowanych układów scalonych, a ramy tego tekstu nie pozwalają na opis standardowej technologii CMOS. Jak zrobić FeFET napisałem powyżej, oczywiście  w uproszczony sposób. Dlatego skupię się na wytwarzaniu i materiałach dla tradycyjnej pamięci FRAM.

Podstawowy materiał ferroelektryczny w tych pamięciach to PZT (PZT – Pb(ZrXTi1-X)O3  –  cyrkonianu tytanianu ołowiu). Nie będę opisywał, jak wytwarza się PZT dla piezoelektryków, bo to są inne technologie i inne grubości warstw, co także ma wpływ na właściwości materiału.

Do wytwarzania PZT w pamięciach FRAM stosuje się dwie metody:

• PVD np. Sputtering: W komorze próżniowej umieszcza się „tarczę” wykonaną ze spieku ceramicznego PZT. Bombarduje się ją jonami argonu, co powoduje fizyczne wybijanie atomów ołowiu, cyrkonu oraz tytanu i ich osadzanie na podłożu krzemowym. Często proces ten prowadzi się w atmosferze tlenu (reactive sputtering).
• Odmianę metody CVD (Chemical Vapor Deposition – Chemiczne osadzanie z fazy gazowej) zwaną MOCVD:  reagenty w postaci gazowej wprowadza się do komory,  gdzie na gorącej powierzchni płytki krzemowej zachodzi reakcja chemiczna, osadzająca idealnie równomierną warstwę PZT atom po atomie – nawet wewnątrz głębokich otworów.

Elektrody pamięci z Pt lub Ir wytwarza się także w procesie PVD (Sputtering), inne są tylko “tarcze” do których “strzela się” jonami argonu. By utworzyć wspomniany wcześniej tlenek irydu, także stosowany w tych pamięciach, do komory reakcyjnej dodaje się tlen.

Tak więc same procesy są typowe dla procesów technologii CMOS, ale materiały już nie. Często wprowadzenie innych materiałów do procesu CMOS, może ten proces “zanieczyścić” i prowadzić do trudnych do przewidzenia konsekwencji w tym do znacznego spadku uzysku. Z tego powodu takie procesy uważa się za mało kompatybilne z technologią CMOS, stosowaną w typowych i zaawansowanych układach scalonych. Dodatkową trudnością jest fakt, że kondensator w konfiguracji pamięci 1T1C wytwarza się także w procesach FEOL, a to ma kluczowy wpływ ma możliwość integracji tej pamięci jako pamięci wbudowanej np. w mikrokontrolerach. Nawet jak mikrokontroler jest wykonany w technologii, np. 28 nm, to kondensator pamięci FRAM odpowiada technologii np. 130 nm. To dlatego rozmiar komórki jest taki duży, jak wynika z porównania rozmiarów komórek w tabeli powyżej.

Zastosowania i wyzwania

Zacznijmy od kilku wyzwań, przed jakimi stoją pamięci FeFET z tlenkiem hafnu.

Po pierwsze, technologia FeFET (w przeciwieństwie do dojrzałego rynkowo FRAM), znajduje się obecnie fazie przejścia z laboratoriów badawczych do masowej produkcji komercyjnej. Nie jest jeszcze oferowana jako samodzielny układ scalony dostępny z katalogów, gdzie dane techniczne i karty katalogowe są dostępne na stronie producenta. Pamięć ta jest przede wszystkim oferowana jako pamięć wbudowana (eNVM) w strukturach np. mikrokontrolerów oraz jako własność intelektualna (IP) do licencjonowania. Przejście do fazy komercyjnej nigdy nie jest proste.

Drugi problem to tak zwane zjawisko pułapkowania ładunku (ang. charge trapping), które ogranicza trwałość (endurance) komórek FeFET do poziomu rzędu 104-107 cykli zapisu (podczas gdy teoretycznie sam ferroelektryk mógłby wytrzymać ich znacznie więcej). Te wartości są znacznie mniejsze, niż dla tradycyjnej pamięci FRAM (patrz tabela porównawcza). Ilość zapisów to jedna z głównych zalet pamięci FRAM, względem standardowej technologii NAND Flash. Nie będę opisywał samego zjawiska, nadmienię tylko, że wiele firm pracujących nad pamięciami FRAM, np. Kioxia, pracują nad ograniczeniem lub wyeliminowaniem tego zjawiska by zwiększyć liczbę zapisów.

Kolejny istotny problem – FeFET oparte na tlenku hafnu (HZO) zmagają się z efektem zwanym ang. wake-up effect. Bezpośrednio po wyprodukowaniu, struktura krystaliczna domieszkowanego tlenku hafnu zawiera w sobie niepożądane defekty sieciowe i posiada nieodpowiednią strukturę krystalograficzną. W efekcie, przy pierwszych próbach zapisu komórka pamięci wykazuje słabą polaryzację (efekt ferroelektryczny jest słaby). Dlatego stosuje się tzw. cykl wybudzania (ang. wake-up cycling). Polega to na tym, że podczas końcowych testów fabrycznych lub przy pierwszym uruchomieniu komórki pamięci są „przełączane” tam i z powrotem od kilkuset do kilkunastu tysięcy razy. W efekcie efekt ferroelektryczny ulega wzmocnieniu. Można powiedzieć że komórki zostały “wytrenowane” by prawidłowo zapamiętywały.

No ale te wszystkie wyzwania stojące przed pamięcią FeFET nie powstrzymują producentów przed pracami nad tą technologią. Jej zalety i duża zgodność z tradycyjną technologią CMOS są czynnikami wspomagającymi by te prace kontynuować.

Dla tradycyjnej pamięci FRAM wyzwaniem nie do pokonania jest zgodność z technologią CMOS i skalowalność. Niestety w strukturze tej pamięci występuje kondensator który musi być odpowiednio duży, co ogranicza skalowalność, a obecność PZT powoduje, że jest to technologia niekompatybilna ze standardową technologią CMOS. PZT w pamięciach FRAM, które zawiera ołów, nie podlega pod dyrektywę RoHS, a dla ceramiki piezoelektrycznej podlega pod wyłączenie 7(c)-VI. Więc ta dyrektywa nie stanowi problemu dla producentów pamięci i innych podzespołów elektronicznych zawierających ten materiał.

Jednakże fakt, że PZT zawiera ołów to duży problem, gdyż ołów ma duży współczynnik dyfuzji w krzemie i jego dyfuzja do obszarów tranzystorów znacząco może zwiększyć prądy upływu w tychże tranzystorach. Dobre właściwości ferroelektryczne i strukturę perowskitu można uzyskać osadzając warstwy PZT w temperaturach 600-700 stopni C. To znacznie za dużo, by można te procesy wykonywać na etapie BEOL, tak jak to było możliwe dla pamięci ReRAM (RRAM) opisanych w poprzednim artykule, gdy wykonana jest już metalizacja aluminiowa lub miedziana. Wtedy już nie można stosować procesów w temperaturach wyższych niż 450 stopni C. W przeciwnym wypadku możemy uszkodzić warstwy metalizacji. “Zanieczyszczenie” linii produkcyjnej ołowiem jest niedopuszczalne, dlatego dla wykonania procesów związanych z pamięciami FRAM buduje się dedykowane, odizolowane linie produkcyjne, a to podnosi koszty i nie sprzyja integracji ze standardową produkcją CMOS. Dlatego komercyjnie częściej teraz można dostać osobne tradycyjne pamięci FRAM, a nie wbudowane w kontrolery.

Czy jednak wyzwania spowodują, że te pamięci znikną z rynku? Chyba nie, chociaż jak już wspomniałem, większość firm analitycznych przewiduje roczny wzrost (CAGR) będzie w przedziale 3-6%.

Na rysunku poniżej przedstawiony jest udział różnych rynków w ogólnej sprzedaży tych pamięci w roku 2024.

Wartość całego rynku oszacowano na 474 M$ i liczby na poszczególnych elementach wykresu odzwierciedlają udział poszczególnych segmentów rynku, np. Automotive to 181,1 M$.

Zastosowania w branży motoryzacyjnej (Automotive) napędzają wzrost rynku pamięci FRAM, co wynika z rosnącego zapotrzebowania na niezawodną pamięć nieulotną w pojazdach elektrycznych, systemach wspomagania kierowcy (ADAS) oraz systemach informacyjno-rozrywkowych. Szybki zapis, trwałość oraz zdolność do zachowania danych w ekstremalnych warunkach sprawiają, że pamięć FRAM staje się istotnym elementem nowoczesnej elektroniki samochodowej.

Automatyka przemysłowa napędza także rozwój rynku pamięci FRAM, generując zapotrzebowanie na pamięci o wysokiej trwałości, niezbędne do sterowania w czasie rzeczywistym, rejestrowania danych oraz monitorowania procesów. Niezawodność i niski pobór mocy pamięci FRAM powodują, że znajdują one zastosowanie w systemach IIoT (Industrial IoT).

Podobnie “Smart Grid” i chodzi tutaj o wszystkie rodzaje mierników, gazu, wody, ciepła, a nie tylko mierników zużycia energii elektrycznej. Załóżmy, że chcemy zapisywać zużycie jednego z wyżej wymienionych czynników co 15 minut. Daje to ok. 35 000 zapisów rocznie do pamięci. Pamięć Flash raczej się do tego nie nadaje, z uwagi na znacznie większy pobór energii oraz ilość dopuszczalnych zapisów. W ciągu 10 lat mielibyśmy aż 350 tysięcy zapisów.

Jednym z przykładów zastosowania pamięci FRAM sa aplikacje medyczne np. w stymulatorach (rozrusznikach) serca. W rozrusznikach stosuje się :

• standardowe EEPROM i Flash – stosowane do przechowywania kodu programu i rzadziej zmienianych ustawień urządzenia;
• FRAM / FeRAM (Ferroelectric RAM) – dlatego, że jest to pamięć nieulotna i dostatecznie szybka. Przy tym zużywa ułamek energii potrzebnej dla pamięci Flash oraz cechuje się ogromną ilością dopuszczalnych cykli zapisu, co jest bardzo istotne przy ciągłej rejestracji pracy serca.

Generalnie w zastosowaniach pamięci FRAM wykorzystuje się następujące cechy tej pamięci:

• mały pobór mocy,
• możliwość bardzo dużej ilości zapisów i kasowania jednej komórki.
• szybkość zapisu i kasowania.

W większości zastosowań najistotniejsza jest ilość zapisów oraz mały pobór mocy. Oczywiście należy pamiętać, że pamięć FRAM jest ponad 10 razy droższa od pamięci EEPROM o tej samej pojemności, np. 1Mb. Dlatego spotyka się ją tylko w zastosowaniach wymienionych powyżej, gdzie jej parametry są niezastępowalne przez standardowe pamięci Flash lub EEPROM.

Rynek

Jak już wspomniałem, praktycznie wszystkie firmy analizujące rynek pamięci FRAM nie przewidują gwałtownego wzrostu wartości ich sprzedaży. Większość z nich szacuje wielkość rynku w roku 2025 od 269 do 343 mln USD. Jedynie Global Market Insights (GMI ) szacuje ten rynek na aż 499 mln USD w roku 2025 i wzrost do poziomu 872 mln USD (CAGR = 6%) do roku 2034. Inne firmy szacują, że w latach 2033-2035 rynek osiągnie wartość od 360 do 442 mln USD (3-3,5% wzrostu rocznie) i wówczas będzie nawet mniejszy, niż obecne wartości podawane przez GMI dla roku 2025.

To typowa sytuacja dla nowych dopiero tworzących się rynków, jeszcze nie w pełni ukształtowanych. Dodatkową trudnością – moim zdaniem – niedoszacowanie potencjału do wzrostu tego rynku stanowi fakt, że pamięci FeFET są jeszcze na etapie przejścia od badań do pełnej komercjalizacji. Obecnie tego typu pamięci nie są dostępne komercyjnie, ale fakt, że pracują nad nimi takie firmy jak Kioxia, TSMC, GlobalFoundries, SK hynix, Intel czy Samsung, skłania mnie do przypuszczenia, że rynek może się rozwijać szybciej. Jak będzie to czas pokaże. Już wiele razy używałem tego zwrotu, ale nic więcej nie mogę tu napisać.

Obecnie na rynku dostępne są głównie pamięci w postaci układów scalonych, a nie jako pamięci wbudowane np. w mikrokontrolery. Oba rodzaje pamięci oferuje tylko Texas Instruments, czyli niezależne układy scalone i pamięci wbudowane w mikrokontrolery z rodziny MSP430Fxxx, dedykowane do zastosowań przemysłowych i inteligentnego opomiarowania (woda, ciepło).

Kluczowi dostawcy

Bardzo trudno jest określić obroty poszczególnych firm w pamięciach FRAM, a także która z nich jest kluczowym dostawcą. Wiele jest sprzecznych informacji. Dlatego postanowiłem oprzeć ten fragment artykułu na raporcie “Ferroelectric Random Access Memory (FeRAM) Market Size & Share 2025 – 2034”, opracowanym przez Global Market Insights (GMI). Wg. tego raportu, w roku 2024 liderem rynku pamięci FRAM był Infineon, z udziałem około 28%, co daje około 133 mln USD przychodów. W pierwszej piątce (TOP 5) oprócz firmy Infineon wymienione są Fujitsu/Ramxeed, Lapis Semiconductor, Texas Instruments i STM. Wg. GMI ta piątka firm ma udział w rynku aż 74% (ok. 350 mln USD). Ta lista budzi jednak moje poważne wątpliwości, które przedstawię poniżej opisując wymienione firmy. W miarę szczegółowo scharakteryzuję 6 firm działających na rynku FRAM, ale faktycznie będzie ich więcej, ze względu na liczne zmiany własnościowe i częsty udział wielu firm we wspólnym przedsięwzięciu, związany z opracowaniem, bądź produkcją pamięci FRAM lub FeFET.

Infineon Technologies

Zacznijmy od tej największej, czyli od Infineon Technologies. Tutaj historia dotycząca pamięci FRAM jest niezwykle bogata i sięga aż roku 1984. Właśnie w tym roku powstała
firma Ramtron International Corporation, która była faktycznym pionierem i twórcą komercyjnych rozwiązań pamięci FRAM, wprowadzając pierwsze układy na rynek pod koniec lat 80 XX wieku. Ta data kłóci się z moim tytułem tego cyklu, ale o tym, dlaczego tak ten cykl nazwałem, będzie w artykułe podsumuwującym cały cykl. Firma Ramtron współpracowała także od 1996 roku z Fujitsu, od 2001 z Texas Instruments, a więc z innymi kluczowymi graczami na rynku pamięci FRAM.

• Rok 2012: Cypress zyskał dostęp do technologii ferroelektrycznej (FRAM) w listopadzie 2012 roku, kiedy sfinalizował zakup firmy Ramtron za kwotę około 110 mln USD. Cypress potrzebował sprawdzonej technologii niskoprądowych pamięci nieulotnych, aby zintegrować je z mikrokontrolerami.
• Rok 2019: Infineon i Cypress w  czerwcu 2019 roku podpisały oficjalną umowę w sprawie fuzji, opiewającą na kwotę około 9 mld EUR (ok. 10 mld USD). Domknięcie transakcji nastąpiło w kwietniu 2020 roku, ze względu na  kontrole bezpieczeństwa przeprowadzone przez amerykańskie organy regulacyjne. Firma niemiecka przejmowała firmę amerykańską i od tego momentu Infineon posiada technologię pamięci FRAM, w tym flagową serię EXCELON™ FRAM, która charakteryzuje się ultra-niskim poborem prądu i niemal nieskończoną trwałością ( nawet 1015 cykli zapisu).
• Rok 2026: Kolejny zwrot w tym roku – we wrześniu, a więc całkiem niedawno Infineon postanowił sprzedać swój biznes pamięci NOR Flash oraz FRAM firmie Winbond z Tajwanu za kwotę 1,12 mld USD. Ze względu na wymagania regulacyjne dotyczące takich transakcji, będzie domknięta do połowy 2027 roku. Winbond ma ok. 23% udziału w rynku pamięci NOR Flash, a po przejęciu udziałów Infineona, jego udział w rynku wyniesie nawet 34% (https://www.trendforce.com/news/2026/09/17/news-winbonds-1-12b-infineon-nor-flash-deal-could-lift-global-share-above-30-widening-its-lead/). Po przejęciu i zamknięciu transakcji, Winbond ma powołać do życia nowy podmiot jako niezależną spółkę z siedzibą w Dolinie Krzemowej w USA, pod legendarną marką Spansion. Spansion było bowiem pierwotnie spółką AMD i Fujitsu, która później trafiła w ręce Cypress Semiconductor, a ostatecznie została przejęta przez Infineon. Firma ta była największym na świecie producentem pamięci NOR Flash. No i tak historia zatoczyła koło.

Fujitsu → Ramxeed

To druga firma ważna dla rynku pamięci nieulotnych.

• Rok 1995: Fujitsu rozpoczyna własne prace badawczo-rozwojowe (R&D) nad pamięciami FRAM, a już rok później nawiązuje współprace z firmą Ramtron.
• Rok 1999: Skutkuje to uruchomieniem masowej produkcji komercyjnych pamięci FRAM, początkowo tylko dla firmy Ramtron. Fujitsu działa jako typowe foundry.
• Rok 2001: Inżynierowie Fujitsu dokonują przełomu technologicznego, opracowując architekturę 1T1C dla struktur wielomegabitowych, początkowo jest to technologia tylko 0,5 mikrometra.
• Lata 2007-2013: Dalsze udoskonalenie technologii i produkcja pamięci FRAM 4Mb.
• Rok 2025: Najważniejszą aktualizacją jest fakt, że 1 stycznia 2025 roku Fujitsu Semiconductor Memory Solution zmieniło nazwę na RAMXEED Limited. Pod tą marką są oferowane obecnie są dziś jej produkty, w tym FRAM aż do 12Mb.

Jeszcze jeden ważny moment to rok 2017, rok gdy pamięci FRAM z Fujitsu uzyskują certyfikat AEC-Q101 (Automotive).

Texas Instruments

Historia rozwoju pamięci FRAM w firmie Texas Instruments (TI) potoczyła się zupełnie inaczej niż w przypadku Fujitsu. Podczas gdy japoński gigant skupił się na produkcji samodzielnych, masowych kości pamięci (standalone), Texas Instruments zrewolucjonizowało rynek, integrując pamięć FRAM bezpośrednio wewnątrz struktur swoich mikrokontrolerów (pamięć wbudowana – embedded FRAM)

• Lata 2001-2007:  TI rozpoczyna ścisłą współpracę technologiczną z firmą Ramtron International,  pionierem patentowym FRAM. TI zostało dla Ramtron podwykonawcą typu  foundry.
• Rok 2008: Zastosowanie technologii 130 nm, umożliwiająca Ramtron oferowanie pamięci aż do 4Mb.
• Rok 2011:  Pierwsza rodzina mikrokontrolerów serii MSP430FR57xx z wbudowaną pamięcią FRAM.
• Rok 2016: TI przełamuje kolejną barierę, prezentując układy MSP430FR5994 posiadające aż 256 kB (2Mb) pamięci FRAM

Mniej więcej od tego czasu można powiedzieć, że mikrokontrolery z pamięcią FRAM osiągnęły dojrzałość rynkową. Dziś TI oferuje mikrokontrolery z tej rodziny z pamięcią FRAM aż do 512 kB (4Mb) oraz specjalne pamięci FRAM (standalone) ale tylko do 64kb. Dla TI kluczowe są pamięci wbudowane FRAM.

Lapis Semiconductor

Ta firma ma, czy może lepiej napisać miała, całkiem inne podejście niż Fujitsu czy TI.Jeszcze w latach 90. inżynierowie z japońskiej firmy OKI Electric Industry pracowali nad opracowaniem ekstremalnie energooszczędnej pamięci.

• Rok 2008: OKI wydziela spółkę OKI Semiconductor i w tym samym roku firmę przejmuje Rohm Co. Ltd. włączając jej portfolio do swojej oferty
• Rok 2011: Pod koniec tego roku Rohm tworzy spółkę zależną Lapis Semiconductor.
• Rok 2016: W tym roku do zastosowań w medycynie i “Smart Meteringu” firma wprowadza na rynek pamięci FRAM serii MR44 i MR45, o napięciu zasilania 1,8V oraz bardzo energooszczędne.
• Rok 2017: Pod koniec tego roku firma wprowadziła na rynek pamięć FRAM 1Mb serii MR45 i to był już koniec nowości w tym zakresie.

Według tego co sprawdziłem, obecnie, a prawdopodobnie jeszcze od roku 2020, wszystkie pamięci Lapis mają status EOL (End-of-life) i są wycofane z produkcji oraz oferty. Potwierdzają to informacje dystrybutorów którzy w zamian oferują pamięci Infineon lub Ramxeed.

Lapis Semiconductor informuje na swojej stronie internetowej, że działa w ramach grupy Rohm jako foundry. Być może, dysponując technologią pamięci FRAM, oferuje to rozwiązanie swoim klientom. Może dlatego GMI umieściło tą firmę w Top-5 dostawców pamięci FRAM. Nic jednak nie wskazuje, by Lapis Semiconductor oferował ten rodzaj pamięci jako standardowy podzespół.

STM

To najdziwniejsza informacja firmy analitycznej GMI. Umieściła STM w Top-5 dostawców pamięci FRAM. Według moich informacji, STMicroelectronics (ST) nie oferuje i nigdy nie wprowadziło do stałej komercyjnej oferty pamięci typu FRAM, ani w postaci samodzielnych kości (standalone), ani jako pamięci wbudowanej (embedded) w swoje flagowe mikrokontrolery. Oczywiście współpracowała krótko z Fujitsu, ale chodziło o to, by dopracować interfejs pomiędzy mikrokontrolerami STM a zewnętrzną pamięcią FRAM. STM pracuje nad nowymi pamięciami nieulotnymi, ale jest to pamięć typu PCM, zarówno jako zewnętrzna jak i wbudowana (PCM/ePCM ). Dlaczego więc Global Market Insights (GMI) umieściła STM wśród kluczowych dostawców pamięci FRAM? Firma Imarc, inna firma anlityczna, (https://www.imarcgroup.com/ferroelectric-ram-market) nie umieszcza w swoim raporcie STM jako kluczowego dostawcy.

FMC

Firma nie jest kluczowym dostawcą pamięci FRAM, ale jest bardzo ważna dla tego rynku i dlatego jej historię postanowiłem także przestawić w części artykułu o pamięciach FRAM. Co ciekawe, rozpoczęliśmy przegląd firm na tym rynku od Infineon i także w opisie firmy FMC firma Infineon się pojawi. Ferroelectric Memory Company (FMC) to niemiecka firma z siedzibą w Dreźnie.

• Rok 2016: Firma została założona w 2016 roku jako spin-off (spółka wydzielona) z Politechniki Drezdeńskiej (TU Dresden) oraz laboratorium badawczego NaMLab. Podwaliną pod jej sukces było odkrycie dokonane pierwotnie w nieistniejącej już firmie Qimonda. Zauważono, że powszechnie stosowany w mikroelektronice na izolator bramki – tlenek hafnu (HfO₂) w pewnych warunkach wykazuje właściwości ferroelektryczne. Jak już wcześniej pisałem, tradycyjne pamięci ferroelektryczne (FRAM) bazowały na trochę egzotycznych dla procesów CMOS materiałach, np. PZT, które były trudne we wdrażaniu do fabryk bazujących na płytkach krzemowych i technologiach CMOS. FMC dokonało przełomu, przekształcając standardowe, powszechnie używane tranzystory z tlenkiem hafnu w tranzystory polowe FeFET. Oznaczało to, że nową pamięć można produkować na istniejących liniach produkcyjnych bez kosztownej zmiany parku maszynowego i znaczących zmian technologicznych. Nie trzeba było także wprowadzać wspomnianych materiałów, jak PZT które mogły “zanieczyścić” linie standardowej technologii CMOS.

Prace nad technologią FMC rozpoczęły się znacznie wcześniej. W lipcu 2006 roku firma Qimonda, europejski producent pamięci DRAM, powstały z Infineon Technologies jako niezależna firma do produkcji pamięci DRAM oraz Politechnika Drezdeńska (TU Dresden) wspólnie założyły instytut badawczy NaMLab (Nanoelectronic Materials Laboratory). Jego głównym zadaniem było prowadzenie zaawansowanych badań nad nowymi materiałami dla przyszłych generacji pamięci, w tym nad wspomnianym tlenkiem hafnu. Niestety firma Qimonda nie wytrzymała walki z konkurencją i w roku 2009 ogłosiła upadłość (co oznaczało koniec niemieckiej i europejskiej potęgi na rynku masowych pamięci DRAM), przełomowe odkrycie mogło zostać zapomniane. Na szczęście Instytut NaMLab dalej działał będąc pełną własnością TU Dresden, a naukowcy przez kolejne lata rozwijali technologię i udowadniali jej komercyjną wartość, by w roku 2026 utworzyć firmę FMC.

• Rok 2025: W kwietniu 2025 FMC ogłosiło strategiczne partnerstwo z niemiecką firmą Neumonda. Celem tej współpracy jest walidacja technologii i przyspieszenie masowej komercjalizacji DRAM+. Architektura DRAM+ łączy w sobie zalety tradycyjnej pamięci operacyjnej oraz pamięci masowej nieulotnej. Nazwa Neumonda nie jest przypadkowa. Firma została założona przez byłych menedżerów m.in. z Infineon i Qimondy i oczekuje się, że nowa firma może się przyczynić do odrodzenia produkcji pamięci w Niemczech i Europie. Zobaczymy, ale tą technologią interesują się takie foundry jak TSMC czy GlobalFoundries oraz duzi gracze na rynku pamięci i półprzewodników jak Samsung czy Intel.

Więcej o tym projekcie można przeczytać tutaj: https://www.ferroelectric-memory.com/

W tabeli poniżej są zebrane ogólne informacje o wyżej wspomnianych firmach opracowujących nowe technologie FRAM lub je produkujących.

Najważniejsze firmy opracowujące i produkujące pamięci FRAM (FeRAM lub FeFET)

Podsumowanie

Na początek podsumuję zalety i wady pamięci FRAM, ale skupię się na jej tradycyjnej wersji.

Zalety tradycyjnej pamięci FRAM:

• praktycznie nieskończona liczba zapisów (10¹³– 10¹⁵) praktycznie jest wartością w większości aplikacji nieosiągalną przez cały czas życia urządzenia, w którym ta pamięć jest zastosowana;
• niskie napięcia zasilania i zapisu/odczytu, zgodne z aktualnie wymaganymi w dominujących technologiach układów logicznych;
• mały pobór mocy i mała energia zapisu.

Wady tradycyjnej pamięci FRAM:

• słaba zgodność z dominującą technologią CMOS w układach logicznych;
• trudności w skalowaniu technologii;
• niełatwo jest zintegrować tą pamięć w układach wbudowanych, chociaż TI to się z sukcesem udało.

Jak z powyższych danych wynika, pamięć ta może być stosowana w ograniczonej liczbie aplikacji i głównie obecnie jest produkowana jako pamięć zewnętrzna. Nic dziwnego, że firmy analityczne obecnie nie przewidują dużego wzrostu produkcji i zapotrzebowania na ten rodzaj pamięci. Według najoptymistyczniejszych prognoz, w roku 2034 jej sprzedaż wyniesie 872 mln USD, a to będzie mniej niż 0,03- 0,04% całego rynku podzespołów półprzewodnikowych. Jest to więc niszowy produkt.

Jednakże będąca jeszcze ciągle w fazie opracowania nowa pamięć FeFET nie ma ww. wad tradycyjnej pamięci FRAM i – o ile uda się zwiększyć liczbę zapisów – może ona zająć znaczące miejsce na rynku pamięci nieulotnych i nie tylko. Technologia firmy FMC zwana DRAM+ [4] sugeruje, że pamięć ta może zająć także miejsce pamięci DRAM. Wtedy wszystkie prognozy dotyczące rynku pamięci FRAM, gdy uznamy że FeFET to też pamięć z tej grupy, nie będą wiele warte. Obecnie nie ma jeszcze na rynku komercyjnie dostępnych pamięci FeFET. Moim zdaniem mogą się pojawić za kilka lat, raczej po roku 2030 i wtedy prognozy mogą ulec całkowitej zmianie. Co równie ważne, Europa ma szansę stać się liderem w produkcji tego rodzaju pamięci. Mam nadzieję że tak się stanie.

---

Przy pisaniu tego tekstu korzystałem z ogólnie dostępnych materiałów, informacji firmowych np. firm Infineon, Kioxia, Everspin, Nordic Semiconductor i innych, oraz w szczególności z poniższych źródeł:

[1]  A New Memory Contender? Mark Lapedus ; 2018; https://semiengineering.com/
[2] Emerging Memory Technologies, Dr. Saumya Srivastava ; ISBN 9898175508452
[3] Raport firmy Yole Group – ogólnie dostępne dane, a nie pełny raport – Emerging
Non-Volatile Memory 2026 – https://www.yolegroup.com/product/report/eNVM-2026/
[4] https://www.ferroelectric-memory.com/