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Fujitsu Electronics

Fujitsu Semiconductor: Highspeed FRAM-Speicher für High-Tech RFID-Anwendungen

Artikel | von Fujitsu Electronics | 20. November 2014
Aufgrund ihrer Resistenz gegen Strahlung sind FRAM-Speicher ideal geeignet für RFID-Anwendungen im medizinischen Umfeld. Aufgrund ihrer Resistenz gegen Strahlung sind FRAM-Speicher ideal geeignet für RFID-Anwendungen im medizinischen Umfeld. BILD: Fujitsu Semiconductor

Daten in Hochgeschwindigkeit gespeichert und dauerhaft verfügbar

Hohe Schreibgeschwindigkeiten und mehrere Billionen Überschreibzyklen – nur zwei der zahlreichen Vorteile, die die FRAM-Technologie mitbringt und sie so zur idealen Speichertechnologie für unterschiedlichste RFID-Applikationen werden lässt. Welche besonderen Vorzüge die FRAM-Technologie für RFID-Anwendungen hat und wo die Grenzen einer dauerhaften Datenspeicherung liegen, darüber sprach „RFID im Blick“ mit Jozsef Miho, Product Marketing Engineer bei Fujitsu Semiconductor Europe.

Jozsef Miho, Fujitsu Semiconductor Europe, im Interview mit Jan Phillip Denkers, „RFID im Blick“

Herr Miho, was ist der Hauptunterschied zwischen FRAM und anderen RAM-Typen?

Im Vergleich zu SRAM und DRAM, die in CMOS-Prozessen gefertigt werden, basiert FRAM auf einer speziellen Kondensatortechnologie, für die ein spezieller Prozess bei der Herstellung benötigt wird, der auf die CMOS-Technologie aufbaut. Diese Kondensatoren basieren nicht auf dem Aufladen der Elektroden mit Ladungen sondern nutzen ein ferroelektrisches Material zwischen den Elektroden. Beim Anlegen eines elektrischen Feldes entsteht eine Polarisation. Diese Polarisation bleibt erhalten wenn die Spannungsversorgung und somit das elektrische Feld entfernt wird. So wird die dauerhafte Speicherung von Daten möglich – der Hauptunterschied zu den flüchtigen Speichertechnologien.

Fujitsu Semiconductor Europe produziert FRAM-Bausteine mit unterschiedlichen Speicherkapazitäten. Wo liegen die Grenzen bei der Speichergröße?

Die zur Zeit am Markt verfügbaren Standalone-FRAM-Speicher haben eine Kapazität von bis zu vier Mbit. Die größten aktuell geplanten FRAMs auf unserer Roadmap sind derzeit 16 Mbit.

Depolarisierung und Imprint können auch bei FRAM zum Datenverlust führen, insbesondere bei höheren Temperaturen. Wie gewährleistet Fujitsu Semiconductor Europe eine dauerhafte Datenspeicherung?

Es ist richtig, dass Imprint und Depolarisierung zu Datenverlust führen, dies ist jedoch für die meisten Applikationen, in denen FRAM-Speicher eingesetzt werden, unbedenklich. Fujitsu garantiert bei nahezu allen FRAM-Produkten einen Datenerhalt von zehn Jahren bei einer Betriebstemperatur von 85 Grad Celsius. Dies bedeutet, dass im Worst Case, also bei permanenter Benutzung bei 85 Grad Celsius über einen Zeitraum von zehn Jahren und ohne Zugriff auf die Daten, die gespeicherten Informationen erhalten bleiben. Sollte die Temperatur nicht permanent so hoch sein oder durch einen Lese- oder Schreibzugriff der Inhalt einer Speicherzelle „aufgefrischt“ werden, dann verlängert sich diese Zeit entsprechend.

Die Temperaturkurve ist relativ steil, bei permanenten 55 Grad Celsius beispielsweise liegt die Datenretention in der Größenordnung von 95 Jahren, bei Raumtemperatur sind es über 200 Jahre. Es sollte kaum Applikationen geben, bei denen diese Retention nicht ausreicht. Dennoch verbessern wir unsere Produkte selbstverständlich ständig weiter, erste Produkte haben jetzt schon Spezifikationen von zehn Jahren bei 105 Grad Celsius und weitere Verbesserungen sind in Planung. Auch kann je nach Anwendung durch den gezielten Einsatz von Schaltkreisen im Moduldesign die Eigenschaft von FRAM in diesem Aspekt verbessert werden.

Was sind die (Haupt-)vorteile von FRAM gegenüber anderen nicht volatilen RAM-Typen wie beispielsweise MRAM?

Grundsätzlich gilt: Jeder Anwender muss für seine Applikation die richtige Technologie identifizieren, denn alle non-volatilen Speicher haben bestimmte Vor- und Nachteile. Gegenüber EEPROM liegen die Vorteile von FRAM jedoch klar auf der Hand: Die Schreibgeschwindigkeit ist um ein Vielfaches höher, insbesondere wenn es sich um einen direkten Zugriff handelt. Die Anzahl der Überschreibzyklen bewegt sich bei EEPROM gerade mal in der Größenordnung von einer Million. FRAM liegt etwa um den Faktor zehn Millionen darüber, also 1013. Der Stromverbrauch beträgt bei FRAM insbesondere wieder beim Schreiben einen Bruchteil von dem, was EEPROMs benötigen. Da FRAM nicht auf Ladungen, sondern auf Polarisation des ferroelektrischen Materials, basiert, ist FRAM resistent gegen Strahlung. Dies ist insbesondere bei Anwendungen in der Medizin sehr wichtig, da bei der Sterilisation die Strahlendosis sehr hoch ist. Aber auch bei Anwendungen, die regelmäßig Strahlen ausgesetzt sind, wie bei Gepäcktransportsystemen an Flughäfen, könnten Daten in EEPROMs verfälscht werden.

MRAMs weisen im Gegensatz zu FRAM auch einen höheren Stromverbrauch auf und sie sind empfindlich gegenüber starken Magnetfeldern. Dazu kommt, dass MRAM nicht in kleinen Speichergrößen verfügbar ist, da die Technologie sich nur schwerlich skalieren lässt. Somit gibt es nur MRAMs ab einer Speichergröße von 256 kbit, was je nach Bedarf viel größer sein kann als in einer Applikation benötigt. Sicherlich ist die Tatsache, dass MRAM eine Single-Supplier-Technologie ist, auch in den Augen einiger Marktteilnehmer ein Nachteil.

Welcher RAM-Typ ist am besten für den Einsatz in RFID-Transpondern geeignet?

In RFID-Transpondern werden fast durchgängig FRAM und EEPROM Speichertechnologien eingesetzt. Diese beiden Technologien stehen jedoch nicht wirklich in Konkurrenz zueinander, da FRAM-Transponder in der Regel deutlich größere Speicherkapazitäten aufweisen als Transponder mit EEPROMs. Letztere verfügen oftmals nicht über einen User Memory, sondern speichern lediglich eine ID, je nach Transponderfrequenz in Form eines EPC (UHF) oder einer UID (HF). Große Speicher mit EEPROMs sind sehr unpraktisch, da ein Transponder sehr lange im Feld des Readers verbleiben müsste, während bei Transpondern mit FRAM die Schreibzeiten bei einem Zugriff sehr viel schneller sind.

Bei der Entwicklung von Transpondern, insbesondere für chirurgische Instrumente, wird die minimale Baugröße zu einem entscheidenden Faktor. Welche Grenzen setzt da die Baugröße eines FRAM-Bausteins?

In Tags wird in der Regel das Silizium direkt verbaut. Es gibt kleine Transponder, die keine sogenannten Module benötigen, sondern bei denen man die Antennen direkt auf das Silizium bonden kann. Die kleinsten Luftspulen, die mir bekannt sind, haben einen Durchmesser von drei Millimetern.

FRAM ist aufgrund der technischen Eigenschaften – Resistenz gegen Strahlung – geeignet für den Einsatz im medizinischen Umfeld, die Temperaturfestigkeit ist jedoch begrenzt. Wie können RFID-Transponder mit FRAM dennoch prozesssicher eingesetzt werden?

Die Temperaturfestigkeit ist prinzipiell kein Problem, außer in Applikationen mit permanenten extremen Temperaturbereichen. Wir definieren die Datenhaltungszeiten durch beschleunigte Alterungstests bei hohen Temperaturen. Diese liegen zur Zeit bei 150 Grad Celsius und dauern je nach Produkt bis zu einige tausend Stunden an. Kurze Ausbrecher über die spezifizierte Temperatur hinweg sollten – auch wenn dies nicht spezifiziert ist – kein Problem darstellen. Im medizinischen Bereich herrschen in Konklaven beispielsweise Temperaturen von 120 bis 130 Grad Celsius, welche üblicherweise für circa 30 Minuten auf die zu sterilisierenden Artikel wirken. Ein FRAM-Tag könnte mit an Sicherheit grenzender Wahrscheinlichkeit solche Temperaturen auch gelegentlich ertragen, auch wenn dies nicht so spezifiziert ist, da er bei unseren Tests ja noch höheren Temperaturen ausgesetzt ist. Natürlich sollte der Transponder nicht permanent in einer Konklave lagern – zumindest solange Wert auf den dauerhaften Datenerhalt gelegt wird.

Abseits der Medizin: In welchen weiteren Applikation kann die FRAM-Technologie die Vorteile gegenüber EEPROM oder anderen NVRAMs einbringen?

Insbesondere in der Industrie, wenn schnell auf größere Datenmengen zugegriffen werden muss, oder in Logistikprozessen, die sowohl von der hohen Geschwindigkeit als auch von dem großen Speicher profitieren, kommen FRAM-Tags zum Einsatz. Auch bei der Erfassung von beweglichen Objekten, wie beispielsweise im Toll-Tracking, kann ebenfalls von den hohen Schreibgeschwindigkeiten profitiert werden. Im Standalone-Bereich, also im nicht RFID-Bereich, spielt FRAM bei Metering-Applikationen (Gas-, Wasser-, Stromzähler) eine große Rolle – prinzipiell in Anwendungen bei denen hohe Schreibgeschwindigkeit, entweder aus Gründen des Datendurchsatzes oder aus Sicherheitsgründen, eine hohe mögliche Anzahl an Überschreibvorgängen und, bei batteriebetriebenen Applikationen, ein geringer Stromverbrauch ausschlaggebend sind. Auch kann durch den Einsatz von FRAMs PCB-Platz eingespart werden, indem entweder andere schnellere SRAMs wegoptimiert werden, da sie nicht mehr benötigt werden, oder indem Batterien entfallen können, was in der Folge auch den Aufwand und die Kosten für die Wartung reduziert.

Letzte Änderung am Montag, 02 März 2015 10:15
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