產品技術延伸 Tech Column
2026.3.25
FRAM 與 SRAM，該如何選擇？基於設計需求的比較與選定指南
本文將從結構、速度、功耗及耐久性等角度，深入比較 FRAM（強誘電體記憶體，FeRAM）與 SRAM 的差異與特性。我們將針對不同用途與設計需求解析選定要點，協助您選擇最合適的記憶體方案。
FRAM 與 SRAM 的基礎知識與架構差異
雖然 FRAM 與 SRAM 都是具備高速存取能力的 RAM，但在「揮發性」與「非揮發性」、結構及用途上卻有顯著不同的特性。本章將整理兩者的基本結構與運作原理，並從技術角度解析各別記憶體所扮演的角色。掌握這些基礎知識，將有助於後續的比較與選型判斷。
SRAM 的結構與特性：揮發性與高速存取的機制
SRAM（Static Random Access Memory）是一種利用正反器（Flip-flop）作為儲存元件的揮發性記憶體，具備一旦外部電源供應中斷，記錄內容即會消失的特性。由於存取速度極快，主要用於快取記憶體（Cache Memory）或處理器附近的高速暫存區域。
在結構上，SRAM 不需要刷新（Refresh）動作，且存取延遲極低，因此適合對即時性（Real-time）要求較高的用途。然而，由於其儲存單元由 6 個電晶體（6T）構成，整合密度較低，與同容量的 DRAM 或 FRAM 相比，成本與封裝面積往往較大。
FRAM 的結構與特性：非揮發性與低功耗的優勢
FRAM（Ferroelectric RAM）是利用強誘電體電容器（Ferroelectric Capacitor）構成的非揮發性記憶體，最大的優點在於電源切斷後仍能保留數據。FRAM 不使用正反器或浮閘（Floating Gate），而是透過強誘電體的「極化反轉」來記錄資訊。
這種機制使得寫入動作的能量消耗極低，並能實現高達百兆次（$10^{14}$ 次）以上的寫入耐久性。此外，FRAM 的寫入速度遠快於 Flash 或 EEPROM，且具備優異的隨機存取性能。可以說 FRAM 處於揮發性與非揮發性記憶體之間的獨特地位，對於電源中斷頻繁的應用情境非常有效。
依用途而異的揮發性與非揮發性選擇意義
記憶體的「揮發性」與「非揮発性」是直接關係到應用程式可靠性與數據保留要求的關鍵選型軸線。
身為揮發性記憶體的 SRAM 專精於運行中的暫時性高速處理，在以常時供電為前提的用途中能發揮極致性能。另一方面，FRAM 憑藉其非揮發性，即使在突發斷電或長時間無供電的環境下也能保有數據，因此更適合用於日誌保存（Log Storage）或設定參數保護。
根據應用程式是優先考慮「即時性能」還是重視「斷電因應」，所應選擇的記憶體類型將大不相同。因此，除了單純的性能比較外，深入理解符合實際使用環境的特性至關重要。
基於設計需求：FRAM 與 SRAM 的性能比較
在選用記憶體時，不能僅考量容量與價格，必須綜合評估存取速度、功耗、寫入耐久性及數據保留時間等多項技術指標。本章將針對 FRAM 與 SRAM 進行詳細對比，釐清在實際產品設計中具備參考價值的選型基準。
存取速度與即時性能比較
SRAM 無論在讀取或寫入方面都能實現奈秒（ns）等級的高速存取，在要求即時性（Real-time）的應用中具有絕對優勢。特別是作為處理器的快取記憶體使用時，非常適合處理高頻存取或關鍵任務。
另一方面，FRAM 雖然優於其他非揮發性記憶體，但存取速度仍不及 SRAM，通常維持在 100ns 左右。不過，FRAM 的優勢在於其寫入速度與讀取速度相當，不會像 Flash 或 EEPROM 那樣產生寫入延遲。因此，設計者需根據應用程式所需的具體速度等級來做出判斷。
功耗與靜態功耗 (Static Power) / 待機電流：低功耗設計的適配性
FRAM 的運作功耗極低，特別是每次寫入動作的能量消耗僅需數十奈焦耳（nJ），這使得它在電池供電設備或重視節能設計的系統中極具優勢。此外，其待機時的漏電流也極低，非常適合需要頻繁利用睡眠模式（Sleep Mode）的用途。
相較之下，SRAM 需要常時供電以維持資料，其儲存單元為了自我保持會持續消耗電流，因此即使在待機狀態下也會產生電力負荷。特別是在行動裝置或 IoT 感測器中，電力限制極為嚴格，功耗表現將顯著影響記憶體的選型。
寫入耐久性與數據保留期限的差異
SRAM 的寫入次數沒有限制，且由於其揮發性特質，通常不特別強調耐久性概念。而 FRAM 雖是非揮發性記憶體，卻擁有高達 $10^{14}$ 次（百兆次）以上的寫入耐性，遠高於其他非揮發性方案。
舉例來說，EEPROM 的寫入壽命約在 10 萬至 100 萬次之間，而 FRAM 即使應用於高頻率的日常寫入任務也游刃有餘。此外，其數據保留期限長達 10 年以上，在斷電後仍需可靠保存資訊的場景中令人安心。簡言之，若需同時兼顧「高頻寫入」與「長期保存」，FRAM 是理想之選。
依應用程式分類：採用實例與選型思考
FRAM 與 SRAM 的評價軸心會隨用途而改變。無論是數據記錄（Data Logging）、電池供電設備還是即時處理，兩者皆有能發揮最大特性的專屬領域。本章將結合實際案例，提供在不同條件下選擇適當記憶體的指引。
感測器數據記錄與事件歷史保存的適配性
FRAM 非常適合寫入頻率高、且在斷電時必須保留數據的用途，特別是感測器記錄。在定期記錄溫度、振動、加速度等數據的應用中，可能每隔幾秒就會產生一次寫入，一天累計可達數萬次。
由於 FRAM 的長壽命特性，設計者無須擔憂寫入次數限制，因此在日誌記錄領域的採用案例正持續增加。此外，在發生停電或意外關機時仍能保有紀錄內容，這點也廣受好評。相較之下，SRAM 需要額外的備援電池（Backup Battery），會使電路設計變得複雜，因此在此類用途中 FRAM 通常是首選。
電池供電設備：考量斷電時動作的選型
在以電池供電為前提的系統中（如行動裝置、IoT 感測節點），「功耗」與「斷電時的數據保留」是重大的設計課題。
由於 FRAM 無須電源即可保持數據，非常適合儲存即時時鐘（RTC）數據、運作日誌及設定參數。此外，從睡眠模式喚醒時無須重新初始化數據，有助於縮短系統啟動時間。相對地，若使用 SRAM，則必須追加備援電池電路或外部電容器，增加了電路板設計與後續維護的負擔。結果顯示，FRAM 能有效簡化系統設計。
實作考量點：成本、封裝與供應穩定性
雖然 FRAM 近年來已逐漸普及，主流廠商也提供各種容量與封裝選擇，但與 SRAM 相比，其單價仍然較高。特別是容量越大，成本差距越顯著。因此，必須在容量需求與預算之間取得平衡。
此外，SRAM 擁有極其豐富的產品線與長年的應用實績，供應面非常穩定；而 FRAM 的製造來源相對有限，需考量長期供應風險。在電路板設計階段，由於腳位定義（Pinout）與匯流排架構（Bus Configuration）可能存在差異，精確掌握各類記憶體的規格是成功設計的前提。
依用途與需求制定的最適記憶體選型指針
根據前述的比較與應用案例，我們總結了最終選型判斷所需的檢查要點。透過整理即時性、電力限制、成本及實作需求等多面向條件，協助您在產品開發初期的需求定義階段，選擇最符合目的的記憶體。
需求整理與用途別選型指南
在 SRAM 與 FRAM（FeRAM）之間進行選擇時，明確整理應用程式的需求至關重要。具體而言，必須從即時性、功耗限制、寫入頻率、數據保留必要性，以及成本與供應穩定性等複合觀點進行比較。
- SRAM：適用於重視「極速處理」與「高頻緩存」的系統。
- FRAM：適用於要求「高頻寫入」與「電源斷電穩定性」的用途。
記憶體選型的基本原則，在於確保元件特性與設計目的高度整合。
從未來性與技術趨勢看 FRAM 與 SRAM 的定位
FRAM 在 IoT、穿戴式裝置及醫療儀器等領域的需求正持續增長，預期隨著技術革新，未來將朝向更大容量化與成本降低發展。
另一方面，SRAM 作為成熟技術，已整合至眾多平台中，其作為高速存取記憶體的地位預計將維持不變。未來，兩者在不同用途中「互補運用」的場景將會增加，開發者應具備「適才適所」的組合運作視野。
實作評估時應掌握的比較檢查清
在實際產品開發中，不能僅止於規格書（Datasheet）的比較，必須全面評估以下觀點以進行最終判斷：
- 功耗(Power Consumption)：評估運作時與待機時的消耗電流。
- 存取時間(Access Time)：確認是否滿足系統的即時性需求。
- 寫入耐久性(Endurance)：估算產品壽命內的總寫入次數。
- 數據保留期間(Data Retention)：確認斷電後的資料安全性。
- 周邊電路(Peripheral Circuitry)：是否需要額外的備援電池或電壓泵。
- 供應能力(Supply Capability)：廠商的可靠性與長期供應承諾。
- 實作限制(Implementation Constraints)：評估成本與電路板面積。
建立完善的檢查清單，能將開發後期的設計變更風險降至最低。
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