ハードウェア

HARDWARE

公開：2024-05-11

FRAM(強誘電体メモリ)とは？意味をわかりやすく簡単に解説

text: XEXEQ編集部

FRAM(強誘電体メモリ)とは

FRAMは強誘電体メモリの略称であり、不揮発性メモリの一種です。FRAMは強誘電体材料を使用することで、電源を切ってもデータを保持することができます。

FRAMはSRAMやDRAMなどの揮発性メモリと比較して、データ保持力に優れています。また、書き換え回数が多いことも特徴の一つであり、長期間の使用に適しています。

FRAMは高速なデータアクセスが可能であり、低消費電力であることから、IoTデバイスや組み込みシステムなどの用途に適しています。また、耐放射線性にも優れており、宇宙機器などにも使用されています。

FRAMは強誘電体材料としてチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)などが使用されており、この材料の分極状態を利用してデータを記憶します。PZTは電界を加えることで分極状態が変化し、その状態を維持することができます。

FRAMは他の不揮発性メモリと比較して、書き換え速度が速く、低電力で動作することから、今後の IoT 時代におけるメモリとして期待されています。また、FRAMはSRAMやDRAMと同様のインターフェースを持っており、既存のシステムへの導入が容易であることも利点の一つです。

FRAMの基本構造と動作原理

FRAMの基本構造と動作原理に関して、以下3つを簡単に解説していきます。

• FRAMの基本的な構造
• FRAMのデータ記憶方式
• FRAMの読み出し・書き込み動作

FRAMの基本的な構造

FRAMは強誘電体材料を誘電体として使用したキャパシタと、そのキャパシタにアクセスするためのトランジスタから構成されています。キャパシタは上部電極と下部電極の間に強誘電体材料が挟まれた構造となっています。

強誘電体材料としてはチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)などが使用されます。PZTはペロブスカイト構造を持つ結晶材料であり、自発分極を示す特性を持っています。

FRAMの基本的な構造はDRAMと類似していますが、DRAMがキャパシタに誘電体材料を使用しているのに対し、FRAMは強誘電体材料を使用している点が異なります。この強誘電体材料の特性により、FRAMは不揮発性を実現しています。

FRAMのデータ記憶方式

FRAMは強誘電体材料の分極状態を利用してデータを記憶します。強誘電体材料は外部から電界を加えることで分極状態が変化し、その状態を維持することができます。

FRAMにおいて、データの"1"と"0"は強誘電体材料の分極方向によって表現されます。分極方向が上向きの状態を"1"、下向きの状態を"0"とすることで、2値のデータを記憶することができます。

この分極状態は電源を切っても維持されるため、FRAMは不揮発性を実現しています。また、分極状態の切り替えには比較的低い電界で十分であるため、低電力での動作が可能となっています。

FRAMの読み出し・書き込み動作

FRAMの読み出し動作はキャパシタに蓄えられた電荷量を検出することで行われます。強誘電体キャパシタに電圧を印加すると、分極状態に応じた電荷量が流れます。この電荷量を検出することで、データの"1"と"0"を判別します。

FRAMの書き込み動作は強誘電体キャパシタに電界を印加することで行われます。書き込みたいデータに応じて、キャパシタに正または負の電圧を印加することで、分極状態を変化させ、データを記憶します。

FRAMの読み出し・書き込み動作はSRAMやDRAMと比較して高速であり、また、低電力で行うことができます。これは強誘電体材料の分極状態の切り替えが、電界の印加のみで行えるためです。

FRAMの特徴と利点

FRAMの特徴と利点に関して、以下3つを簡単に解説していきます。

• FRAMの不揮発性と高速性
• FRAMの低消費電力性
• FRAMの高い書き換え耐性

FRAMの不揮発性と高速性

FRAMは強誘電体材料の分極状態を利用してデータを記憶するため、電源を切ってもデータを保持することができる不揮発性メモリです。この不揮発性により、FRAMは電源のON/OFFに影響されずにデータを保持することができます。

また、FRAMはSRAMやDRAMと同等の高速アクセス性能を持っています。読み出し・書き込み動作が電界の印加のみで行えるため、ナノ秒オーダーでのアクセスが可能です。

FRAMの不揮発性と高速性を活かすことで、システムの起動時間の短縮や、頻繁なデータの保存が必要なアプリケーションでの性能向上が期待できます。また、バックアップ用電源が不要になるため、システムの簡素化にもつながります。

FRAMの低消費電力性

FRAMは強誘電体材料の分極状態の切り替えに必要な電界が小さいため、低電力での動作が可能です。また、不揮発性を活かすことで、頻繁なリフレッシュ動作が不要となり、待機時の消費電力を大幅に削減できます。

FRAMの低消費電力性はバッテリー駆動のデバイスやIoTデバイスなどの用途に適しています。これらのデバイスでは長期間の動作が求められるため、低消費電力性が重要な要件となります。

また、FRAMは動作電圧が低いため、他の回路との電圧マッチングが容易であり、システム全体の低電力化に寄与します。FRAMの低消費電力性を活かすことで、デバイスの長時間駆動やバッテリー寿命の延長が期待できます。

FRAMの高い書き換え耐性

FRAMは他の不揮発性メモリと比較して、高い書き換え耐性を持っています。一般的なフラッシュメモリの書き換え回数が10万回程度であるのに対し、FRAMは10億回以上の書き換えが可能です。

この高い書き換え耐性はFRAMが強誘電体材料の分極状態を利用してデータを記憶しているためです。分極状態の切り替えは材料の劣化を伴わずに行うことができるため、長期間にわたって安定した動作が可能となります。

FRAMの高い書き換え耐性は頻繁なデータの更新が必要なアプリケーションや、長期間の使用が求められるシステムに適しています。また、書き換え回数の制限によるデータ損失のリスクを軽減できるため、システムの信頼性向上にもつながります。

FRAMの応用分野と今後の展望

FRAMの応用分野と今後の展望に関して、以下3つを簡単に解説していきます。

• FRAMのIoTデバイスへの応用
• FRAMの宇宙機器への応用
• FRAMの今後の技術動向と課題

FRAMのIoTデバイスへの応用

FRAMは低消費電力性と高速性、そして高い書き換え耐性を備えていることから、IoTデバイスへの応用が期待されています。IoTデバイスではバッテリー駆動が前提となるため、低消費電力性が重要な要件となります。

また、IoTデバイスではセンサーデータの頻繁な保存や、ファームウェアの更新などが行われるため、高速なデータ書き込みと高い書き換え耐性が求められます。FRAMはこれらの要件を満たすメモリとして、IoTデバイスでの使用に適しています。

FRAMを使用することで、IoTデバイスの消費電力を抑えつつ、高速なデータ処理と長期間の安定動作を実現できます。今後、IoTデバイスの普及に伴い、FRAMの需要がさらに高まることが予想されます。

FRAMの宇宙機器への応用

FRAMは高い耐放射線性を持つため、宇宙機器への応用が期待されています。宇宙空間では放射線によるデータの破壊が問題となるため、耐放射線性の高いメモリが求められます。

FRAMは強誘電体材料の分極状態を利用してデータを記憶するため、放射線による影響を受けにくいという特性を持っています。また、FRAMは高速性と低消費電力性を備えているため、宇宙機器に適したメモリであると言えます。

現在、FRAMは人工衛星やロケットなどの宇宙機器に使用されています。今後、宇宙開発の進展に伴い、FRAMの需要がさらに高まることが予想されます。FRAMの耐放射線性を活かすことで、より信頼性の高い宇宙機器の開発が可能となります。

FRAMの今後の技術動向と課題

FRAMはIoTデバイスや宇宙機器などの分野で注目されている不揮発性メモリですが、今後のさらなる発展のためにはいくつかの課題を解決する必要があります。そのひとつが、集積度の向上です。

現在のFRAMは他の不揮発性メモリと比較して集積度が低いため、大容量化が課題となっています。集積度の向上により、より大容量のFRAMを実現することで、応用範囲の拡大が期待できます。

また、FRAMの製造コストの低減も重要な課題のひとつです。現在のFRAMは強誘電体材料の形成に特殊なプロセスが必要であるため、製造コストが高くなっています。製造プロセスの改善により、コスト低減を図ることが求められます。

「ハードウェア」に関するコラム一覧「ハードウェア」に関するニュース一覧