Zur Startseite gehen
0,00 €*
Kategorien

FeRAM: Innovative Alternative zu EEPROM

FeRAM (Ferroelektrischer RAM)

FeRAM (Ferroelektrischer RAM) ist eine Art von nicht-flüchtigem RAM (Random Access Memory). Der FeRAM zeichnet sich durch eine besonders hohe Data-Retention aus, sprich: sogar bei 125°C bleiben die Daten über 10 Jahre erhalten, wenn die Stromzufuhr abbricht.

Namensgebend für ihn ist das ferroelektrische Dielektrikum des Kondensators. Auf dieses werden wir am Ende des Beitrags kurz im Rahmen der Funktionsweise dieser Speichertechnologie eingehen. Zunächst sehen wir uns allerdings die wichtigsten Eigenschaften sowie einige Anwendungsbereiche für die Technologie an.

Inhaltsverzeichnis

Eigenschaften des FeRAM

FeRAM (Ferroelectric RAM) ist ein nichtflüchtiger Speicher, der die gespeicherten Daten auch ohne Stromversorgung behält – im Gegensatz zu DRAM, der kontinuierlich aufgefrischt werden muss. Dabei kombiniert FeRAM die Geschwindigkeit von RAM mit der Persistenz von Flash oder EEPROM. Zudem ist FeRAM pinkompatibel zu gängigen EEPROMs, bietet jedoch höhere Schreibgeschwindigkeit, geringeren Energieverbrauch und deutlich mehr Schreibzyklen.

Im Folgenden fassen wir die Hauptmerkmale der Technologie zusammen. Aufgrund des vergleichsweise hohen Preises wird FeRAM meist nur dann eingesetzt, wenn mindestens eines dieser Merkmale eine entscheidende Rolle im Projekt spielt.

FeRAM benötigt zum Schreiben und Löschen deutlich weniger Energie als andere nichtflüchtige Speicher wie EEPROM oder Flash. Ein Grund ist, dass FeRAM einzelne Bits direkt schreiben kann – ohne vorheriges Löschen eines gesamten Blocks. Andere Technologien arbeiten oft blockbasiert und nutzen dabei komplexe „Ladungspumpen“, die zusätzliche Energie verbrauchen.

FeRAM hingegen arbeitet mit niedriger Betriebsspannung (typisch 1,5–3,3 V) und schreibt Daten innerhalb von wenigen Nanosekunden. Dadurch eignet sich FeRAM besonders für energieempfindliche Anwendungen, etwa batteriebetriebene Geräte oder Systeme mit Energy Harvesting.

FeRAM erreicht extrem hohe Schreib-/Löschzyklen – bis zu 1014 laut Herstellerangaben. Im Vergleich dazu sind bei EEPROMs und Flash meist nur 104 bis 106 Zyklen üblich. Diese Eigenschaft macht FeRAM besonders langlebig und ideal für Anwendungen, die sehr häufig Daten speichern müssen – zum Beispiel bei Smart-Metern oder Industrieanlagen mit hohem Datenaufkommen.

FeRAM ist unempfindlich gegenüber Magnetfeldern und Röntgenstrahlung. Da die Speichertechnologie keine magnetischen Materialien verwendet (trotz des Namens „ferroelektrisch“), sind Daten auch bei elektromagnetischer Einwirkung sicher. In der Medizintechnik ist diese Eigenschaft besonders wertvoll, zum Beispiel bei implantierbaren Geräten oder bei Anwendungen im Umfeld bildgebender Verfahren.

Die Speicherzellen des FeRAM basieren auf ferroelektrischen Materialien wie PZT (Blei-Zirkonat-Titanat), die zwei stabile Polarisationszustände besitzen. Diese Zustände können durch elektrische Felder gezielt verändert und ausgelesen werden – ähnlich wie bei einem klassischen Kondensator, jedoch dauerhaft. Dadurch entsteht ein nichtflüchtiger Speicher mit sehr schneller Schaltzeit. Details zur Zellstruktur finden Sie im Abschnitt „Funktionsweise“.

Anwendungsbereiche für FeRAM

Ob FeRAM für eine konkrete Anwendung sinnvoll ist, hängt stark von technischen Anforderungen ab. Die folgende Übersicht gibt daher lediglich Anhaltspunkte zur Einordnung – keine Produktempfehlung.

Wichtige Merkmale wie Energieeffizienz, Robustheit und eine nahezu unbegrenzte Anzahl an Schreibzyklen ermöglichen den Einsatz in verschiedenen industriellen und sicherheitskritischen Bereichen. Im Folgenden finden Sie typische Anwendungsbeispiele.

FeRAM eignet sich hervorragend für den Einsatz in Steuerungssystemen, z. B. in speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS). Dort speichert FeRAM Zustände, Zählerstände oder Fehlermeldungen dauerhaft und sofort – auch bei plötzlichem Stromverlust. Durch die hohe Lebensdauer entfällt der Wartungsaufwand für batteriegestützten Speicher.

Wasser- und Stromzähler (z. B. Smart Meter) profitieren vom FeRAM, da sie regelmäßig kleine Datenmengen speichern müssen – bei extrem niedrigem Energieverbrauch. Die hohe Anzahl möglicher Schreibvorgänge ermöglicht zudem eine langfristige, wartungsfreie Nutzung ohne Speicherdegradation.

FeRAM wird häufig in Systemen verwendet, in denen beim Ausfall die letzte Information unbedingt erhalten bleiben muss. Beispiele sind Flugdatenschreiber („Black Boxes“), Airbagsysteme oder industrielle Notabschaltungen. Da FeRAM nichtflüchtig ist und binnen Nanosekunden schreibt, gehen selbst bei abruptem Stromausfall keine Daten verloren.

FeRAM ist prädestiniert für medizinische Anwendungen, bei denen Patientendaten sicher und stromsparend gespeichert werden müssen – etwa in Insulinpumpen oder Herzschrittmachern. Dank der Röntgenimmunität eignet sich FeRAM zudem für Geräte, die Röntgenstrahlung oder anderen diagnostischen Verfahren ausgesetzt sind. Auch Energy-Harvesting-Systeme können von FeRAMs geringer Energieaufnahme profitieren.

Funktionsweise des FeRAM

FeRAM-Speicherzellen bestehen – ähnlich wie bei DRAM – aus einem Transistor und einem Kondensator. Der Unterschied liegt im Kondensator: Statt eines klassischen Dielektrikums wird ein ferroelektrisches Material wie PZT eingesetzt, das bei Anlegen eines elektrischen Feldes seine Polarisation dauerhaft ändert.

Wodurch wird die Information beim FeRAM gespeichert?

Die Polarisation des Materials bleibt auch nach dem Abschalten der Spannung erhalten – je nach Ausrichtung des internen elektrischen Feldes entspricht das einer logischen „1“ oder „0“. Beim Lesen wird die Zelle kurzzeitig umgepolt, was die Information zerstört – sie muss daher direkt im Anschluss zurückgeschrieben werden („destructive read“). Der Lesevorgang ist dennoch sehr schnell und energieeffizient.

Quellen

Zurück
Vorherige News Nächste News