CC BY
72Компоненты и технологии, № 4'2002
Знергонезависимое ОЗУ
Михаил Петров
Petrov@spezial.ru
При проектировании современных микропроцессорных систем разработчики зачастую сталкиваются с проблемами выбора подходящего типа запоминающего устройства. Зачастую к запоминающему устройству предъявляются противоречивые требования.
В результате во многих случаях область памяти разбивается на ряд отдельных блоков:
• Постоянное запоминающее устройство. Относительно медленная память, предназначенная в первую очередь для хранения рабочей программы при отключении питания. В высокопроизводительных системах в процессе работы осуществляется копирование содержимого ПЗУ в быстродействующее ОЗУ.
• Быстродействующее ОЗУ. Предназначено для оперативного хранения данных в процессе работы. В ряде случаев для повышения быстродействия системы в эту область ОЗУ копируется полностью или частично содержимое ПЗУ программ.
• Энергонезависимое ОЗУ или электрически программируемое ПЗУ. Предназначено в первую очередь для длительного хранения данных (например, конфигурации системы) при отключении питания. На протяжении многих лет делались неоднократные попытки объединения различных областей памяти в составе одного устройства. Одним из самых удачных решений можно признать разработку энергонезависимого ОЗУ с батарейным питанием.
Энергонезависимое ОЗУ с батарейным питанием
В состав такой микросборки обычно входит микросхема сверхмалопотребляющего ОЗУ, литиевый источник питания и цепи управления, осуществляющие подключение встроенного источника и блокировку записи в микросхему при снижении напряжения питания ниже допустимого предела. Типичная блок-схема такого устройства представлена на рис. 1.
Разработка энергонезависимого ОЗУ позволила использовать одну и ту же микросхему как для хранения оперативных данных, так и для долговременного хранения программ и свела до минимума количество отдельных микросхем памяти. Однако такому типу запоминающего устройства присущи и собственные недостатки:
• Необходимость включения источника питания в состав микромодуля привела к увеличению его габаритов. И если по разводке выводов и посадочным размерам такой модуль полностью совместим со стандартными микросхемами статического ОЗУ и ПЗУ, то его высота значительно превышает высоту аналогичного корпуса микросхемы. Это затруднило применение модулей энергонезависимого ОЗУ в миниатюрной аппаратуре. Кроме того, для обеспечения возможности коллективной пайки микросхем был разработан модуль памяти со съемным элементом питания, требующим установки после окончания высокотемпературных процессов пайки.
• Для обеспечения длительного срока хранения информации при отключенном питании микросхема ОЗУ, входящая в состав такого модуля, должна быть оптимизирована на достижение минимального энергопотребления. Это находится в противоречии с требованиями обеспечения высокого быстродействия. В результате быстродействие такого запоминающего устройства не очень велико. Лучшие микросхемы с объемом памяти 64 Кбит имеют время доступа 70-100 нс. Кроме того, малое энергопотребление приводит к ограничению выходного тока на уровне 1-2 мА, что отрицательно сказывается на работе микросхемы с большой емкостной нагрузкой.
• Хотя для большинства микросхем энергонезависимого батарейного ОЗУ нормируется сохранность данных при отключении питания на протяжении 5-10 лет, это относится только к использованию микросхемы при комнатной температуре. При повышении температуры окружающей среды время жизни батареи значительно сокращается. Уже при 70 °С срок службы батареи определяется только испарением электролита и не зависит от подключения к батарее самого запоминающего устройства, а при температуре 85 °С срок службы большинства батарей не превышает 2-х лет. Значительное снижение емкости батареи происходит и при снижении температуры окружающей среды.
Сегнетоэлектрическое ОЗУ
Другое решение проблемы энергонезависимого хранения данных было предложено фирмой Иаш^оп
Компоненты и технологии, № 4'2002
и получило воплощение в виде микросхем сегнетоэлектрического оперативного запоминающего устройства.
Микросхемы сегнетоэлектрического ОЗУ, подобно микросхемам энергонезависимого ОЗУ, сочетают в себе свойства статического ОЗУ и энергонезависимого хранения данных. Однако технологии производства этих двух типов запоминающих устройств коренным образом различаются, что и определяет различные особенности работы и различные области применения.
Сегнетоэлектрический эффект состоит в способности отдельных материалов сохранять состояние электрической поляризации при отсутствии внешнего электрического поля. Устойчивая поляризация возникает в результате ориентации внутренних электрических диполей в сегнетоэлектрическом материале под действием внешнего электрического поля. Приложение внешнего электрического поля с напряженностью, превышающей определенное пороговое значение, приводит к ориентации внутренних электрических диполей. Изменение направления внешнего поля на обратное приводит к соответствующей переориентации внутренних диполей. Поскольку для поддержания поляризованного состояния материала не требуется наличия внешнего электрического поля, сегнетоэлектрическая ячейка может использоваться для хранения двоичных данных даже при отсутствии электропитания.
В результате проведенных исследований специалистам фирмы Яаш1гоп удалось разработать технологию производства тонкопленочного сегнетоэлектрического материала, совместимую со стандартными технологиями производства полупроводниковых запоминающих устройств. Энергонезависимая ячейка запоминающего устройства представляет собой конденсатор, образованный двумя металлическими электродами и тонкой пленкой сегнетоэлектрика, расположенный между элементами транзистора и слоем металлизации стандартного КМОП-процесса.
Данные, сохраненные в сегнетоэлектричес-кой ячейке запоминающего устройства, могут быть прочитаны при приложении электрического поля к конденсатору. Если направление электрического поля совпадает с ориентацией электрических диполей в ячейке, то через конденсатор протекает определенный заряд. В случае же противоположной ориентации диполей часть энергии уходит на изменение состояния поляризации, что приведет к изменению протекающего заряда. Входящий в состав микросхемы зарядочувствительный усилитель измеряет протекающий заряд и устанавливает на соответствующем выходе сигнал логического 0 или 1.
Поскольку чтение данных связано с принудительной установкой определенного состояния поляризации, то цикл чтения разрушает информацию, сохраненную в ячейке памяти. Поэтому после чтения необходимо восстановить исходные данные. Это осуществляется встроенными цепями регенерации. Цикл регенерации осуществляется аппаратно после каждого чтения и не требует никакого дополнительного управления.
Таблица 1. Число обращений к микросхеме запоминающего устройства при различной периодичности
Периодичность обращения Число циклов обращения при времени жизни
Период Частота 5 лет 10 лет 15 лет
10 мкс 100 кГц Ю14 1014 1014 подпрограмма
23 мкс 44 кГц 1013 1013 1014 цифровое аудио
1 мс 1 кГц 1012 1012 1012
17 мс 60 Гц Ю10 10" 10" сеть переменного тока
30 мс 33 Гц 1010 1010 10" 1800 оборотов в минуту
50 мс 20 Гц 1010 1010 1010
1 с 1 Гц 10’ 10’ 10’ обыкновенные часы
3 с 10" 10" 10’
1 мин 107 107 107
15 мин 96 в сутки 10‘ 10‘ 10‘ частое использование
1 час 24 в сутки 105 10‘ 10‘
8 часов 3 в сутки 104 105 105 нормальное включение-выключение
Особенности сегнетоэлектрического ОЗУ
Поскольку ячейка сегнетоэлектрического ОЗУ обладает способностью сохранения информации при отсутствии внешнего питания, то и разработанные сегнетоэлектрические ОЗУ предназначены в первую очередь для использования в областях применения, связанных с необходимостью энергонезависимого хранения данных. Используемый в микросхемах сегнетоэлектрического ОЗУ эффект поляризации определяет особенности работы сегнетоэлектрического ОЗУ.
Во-первых, достижение напряженности электрического поля, необходимой для надежной поляризации тонкой сегнетоэлектри-ческой пленки, становится возможным при низковольтном питании микросхемы. Все внутренние цепи микросхемы работают от одного источника питания напряжением 3-5 В как в режиме чтения, так и в режиме записи.
Во-вторых, для того, чтобы записать информацию в ячейку сегнетоэлектрического ОЗУ, электрическое поле должно быть приложено на время менее 100 нс. Этим обеспечивается сравнительно высокое быстродействие запоминающего устройства.
В-третьих, сегнетоэлектрическое ОЗУ, как и большинство других типов энергонезависимой памяти, обладает ограничениями на допустимое число циклов записи информации. Аналогично микросхемам ЭППЗУ при записи информации в ячейку памяти происходит постепенная деградация диэлектрика. Но меньшее значение напряженности электрического поля в режиме записи приводит к значительному увеличению допустимого числа циклов записи. Если работа микросхем ЭППЗУ гарантируется при максимальном числе циклов записи в диапазоне 105-107, в зависимости от конкретного типа микросхемы, то микросхема сегнетоэлектрического ОЗУ сохраняет работоспособность при числе циклов записи до 1010-1012.
Однако, принцип действия сегнетоэлектри-ческого ОЗУ налагает и значительные ограничения на возможные области его применения. Это связано, в первую очередь, с ограничениями на допустимое число циклов записи информации.
Здесь необходимо напомнить об одной особенности микросхем сегнетоэлектрического ОЗУ, зачастую специально замалчиваемой в
большинстве публикаций, посвященных этому типу запоминающего устройства. Дело в том, что принцип чтения информации из микросхемы сегнетоэлектрического ОЗУ является разрушающим. Поэтому каждый цикл чтения данных обязательно сопровождается последующей записью восстановленных данных обратно в ту же ячейку ОЗУ. Благодаря этому для микросхемы сегнетоэлектрического ОЗУ существует ограничение и на допустимое число циклов чтения.
Не останавливаясь подробно на возможных областях применения микросхем сегнетоэле-ктрического ОЗУ, мы приведем только небольшую таблицу, которая поможет читателю оценить возможность применения таких микросхем в конкретном устройстве. В этой таблице приведена взаимосвязь между средней частотой обращений к микросхеме и допустимым временем ее жизни при условии, что схема работает на протяжении 24 часов в сутки 365 дней в году. Серым цветом в таблице выделена область допустимых применений микросхем с максимальным числом циклов обращения 1010.
пуЗРАМ — энергонезависимое статическое ОЗУ
Альтернативное решение при разработке энергонезависимого ОЗУ было предложено фирмами ZMD и 8т1ек. Совместно разработанное этими фирмами запоминающее устройство получило название пу8ИАМ (энергонезависимое статическое ОЗУ). В основу этой микросхемы было положено быстродействующее статическое ОЗУ, каждая ячейка которого соединена с дополнительным ПЗУ с электрической записью и стиранием информации. В состав микросхемы входит также специальная схема управления, осуществляющая копирование данных из области ОЗУ в область ЭППЗУ при снижении напряжения питания микросхемы и в обратном направлении при восстановлении номинального значения напряжения питания (рис. 2). Таким образом, микросхема сочетает в себе преимущества быстродействующего статического ОЗУ в нормальном рабочем режиме и ЭПП-ЗУ в режиме энергонезависимого хранения данных.
Такие микросхемы быстродействующего энергонезависимого статического ОЗУ могут найти широкое применение в промышленной и автомобильной электронике, измери-
Компоненты и технологии, № 4'2002
тгёНАМ
АДРЕСО
ДАННЫЕ Г}
о°
А
ДЕКОДЕР
СТРОКИ
МАТРИЦА ЭППЗУ 512X512
МАТРИЦА СОЗУ 512X512
&
УСТРОЙСТВО
ВВОДА/
ВЫВОДА
ДЕКОДЕР
СТОЛБЦА
«-П Усс
устройство
УПРАВЛЕНИЯ
ЧТЕНИЕМ/
ЗАПИСЬЮ
Рис. 2. Блок-схема энергонезависимого статического ОЗУ
Рис. 3. Питание микросхемы пуБ1?АМ при отключении основного источника
тельной технике и других областях применения, требующих обеспечения сохранности данных при экстремальных условиях работы.
Технология изготовления и принципы работы
В настоящий момент микросхемы пуЗИАМ производятся по 0,8-микронной технологии с двумя слоями поликремния и двумя слоями металлизации. Энергонезависимое хранение данных осуществляется благодаря дополнительному слою кремний—нитрид—окисел— кремний. Кроме того, в состав микросхемы входят высоковольтные МОП-транзисторы, предназначенные для генерации повышенных напряжений, необходимых в процессе записи данных в ЭППЗУ.
Входящее в состав микросхемы статическое ОЗУ построено на основе четырехтранзисторных ячеек памяти с высокоомными нагрузочными элементами. Это позволило обеспечить высокую плотность размещения элементов ОЗУ на кристалле и высокое быстродействие запоминающего устройства, достигающее 25 нс.
Энергонезависимое хранение данных осуществляется при помощи двух элементов ЭППЗУ, интегрированных в каждую ячейку статического ОЗУ. Благодаря использованию дифференциального метода была обеспечена возможность продолжительного и надежного сохранения данных в широком температурном диапазоне.
Во всех выпускаемых на настоящий момент микросхемах пу8ИАМ сохранение данных в область ЭППЗУ осуществляется параллельно для всех ячеек памяти. В результате полное время сохранения данных в энергонезависимом ЭППЗУ не превышает 10 мс при наихудших условиях. Сохранение данных в энергонезависимой памяти осуществляется в два этапа:
На первом этапе происходит полная очистка области ЭППЗУ путем подачи на нее отрицательного напряжения порядка -10 В. На этом этапе элементы ЭППЗУ остаются отключенными от соответствующих элементов ОЗУ.
На втором этапе, после полной очистки области энергонезависимой памяти, элементы
ЭППЗУ и ОЗУ соединяются, и осуществляется сохранение данных путем подачи импульса программирования напряжением более 12 В.
Напряжения стирания и программирования вырабатываются встроенными преобразователями напряжения и их значения определяются внутренними источниками опорного напряжения, обеспечивающими высокую стабильность выходных напряжений в широком диапазоне температур и напряжений питания.
Восстановление данных из области ЭППЗУ при включении питания микросхемы также осуществляется параллельно для всех ячеек памяти и в два этапа. На первом этапе происходит полная очистка области ОЗУ. Затем элементы ЭППЗУ и ОЗУ соединяются и происходит копирование данных из ЭППЗУ в ОЗУ. При этом на программирующих затворах ячеек ЭППЗУ поддерживается строго нулевой потенциал, что позволяет избежать какого-либо влияния цепей программирования на процесс восстановления данных.
Восстановление данных в ОЗУ всегда происходит автоматически при подаче питания на микросхему. В случае необходимости процесс восстановления может быть инициализирован программно путем подачи на микросхему специальной последовательности команд.
Некоторые микросхемы пувИАМ содержат также встроенный датчик напряжения питания, обеспечивающий автоматическую инициализацию цикла сохранения данных в ЭППЗУ при снижении напряжения питания.
Режимы работы микросхем энергонезависимого статического ОЗУ
Режимы работы микросхем энергонезависимого СОЗУ можно условно разделить на две группы: режимы статического ОЗУ, к которым относится чтение и запись ОЗУ, и энергонезависимые режимы работы, к которым можно отнести как собственно хранение данных в ЭППЗУ, так и процессы обмена данными между ОЗУ и ЭППЗУ.
Режимы статического ОЗУ
В режимах работы статического ОЗУ область ЭППЗУ, входящая в состав микросхе-
мы, отключена от ОЗУ и не принимает участия в работе микросхемы. Поэтому работа микросхемы ничем не отличается от любой микросхемы быстрого статического ОЗУ. Большинство микросхем пу8ИАМ полностью совместимы по выводам со стандартными микросхемами СОЗУ и могут использоваться для прямой их замены без каких либо переделок в оборудовании.
Микросхемы пувИАМ выпускаются в настоящий момент со временем доступа 25-55 нс. Ведутся также работы по дальнейшему повышению быстродействия микросхем. По этому параметру им значительно уступают даже самые быстродействующие микросхемы ОЗУ с батарейным питанием и сегнетоэлектрические ОЗУ, имеющие время доступа 70-100 нс. Выходной ток микросхем пу8ИАМ составляет обычно 4 и 8 мА для логической 1 и 0 соответственно. Благодаря этому быстродействие микросхемы при работе на большую емкостную нагрузку остается достаточно высоким.
Особенностью работы микросхем в режимах статического ОЗУ являются меры, направленные на снижение энергопотребления. При высоком логическом уровне на входе выбора микросхемы она потребляет только незначительный ток покоя. Дополнительное снижение энергопотребления осуществляется в режиме чтения СОЗУ путем автоматического отключения внутренних цепей микросхемы, не участвующих в процессе чтения. Приблизительно через 55 нс после установки на входе выбора микросхемы низкого логического уровня ток, потребляемый микросхемой, снижается до уровня тока покоя.
Средняя мощность, рассеиваемая микросхемой, зависит от ряда факторов, наиболее значимым из которых является длительность цикла обращения. При уменьшении длительности цикла потребляемый ток увеличивается. Кроме того, ток потребления микросхемы зависит от входных логических уровней. При управлении КМОП-уровнями микросхема потребляет немного меньший ток, чем при управлении ТТЛ-уровнями. И наконец, ток потребления зависит от напряжения питания и температуры окружающей среды.
Компоненты и технологии, № 4'2002
Энергонезависимые режимы работы
Программное сохранение данных
При необходимости данные, находящиеся в области ОЗУ, могут быть сохранены в энергонезависимом ЭППЗУ. Это осуществляется путем выполнения специальной последовательности команд, состоящей из шести последовательных циклов чтения по определенным адресам ОЗУ. После выполнения последнего цикла этой последовательности все дальнейшие обращения к микросхеме блокируются и инициируется цикл сохранения данных из области ОЗУ в ЭППЗУ. Дальнейшее выполнение цикла сохранения данных осуществляется полностью автономно. Все необходимые для его осуществления цепи, включая тактовый генератор и источники программирующего напряжения, входят в состав микросхемы. Поскольку сохранение данных осуществляется параллельно для всех ячеек ОЗУ, то полная длительность цикла сохранения данных не зависит от объема памяти микросхемы и не превышает 10 мс.
Адреса командной последовательности подобраны так, чтобы обеспечить минимальную вероятность случайной инициализации цикла сохранения данных. Таким образом, вероятность непреднамеренного сохранения данных составляет не более 10-25.
Аппаратное сохранение данных
Ряд микросхем пу8ИАМ имеет дополнительный вывод ГОВ, предназначенный для управления аппаратным сохранением данных. Подача на этот вывод импульса низкого логического уровня инициирует цикл сохранения данных. Если же низкий уровень на входе поддерживается в течение продолжительного периода времени, то после окончания цикла сохранения данных микросхема перейдет в состояние покоя с пониженным энергопотреблением и будет находиться в этом режиме до тех пор, пока на входе ГОВ не будет восстановлен высокий логический уровень.
Автоматическое сохранение данных
В большинстве микросхем пу8ИАМ предусмотрен режим автоматического сохранения данных при снижении напряжения питания. Внутренние цепи управления осуществляют автоматическую инициализацию цикла сохранения данных при снижении напряжения питания ниже порогового уровня (около 4,25 В). Для успешного завершения цикла автоматического сохранения данных необходимо, чтобы за время сохранения (<10 мс) напряжение питания не опустилось ниже 3,5 В. Если основной источник питания не обеспечивает выполнение этого условия, то для питания микросхемы на время цикла сохранения данных может использоваться дополнительный электролитический конденсатор, подключенный либо к выводу питания микросхемы и развязанный от источника питания диодом с малым падением напряжения (диодом Шоттки), либо к дополнительному выводу микросхемы и развязанный от источника питания внутренним ключом на полевом транзисторе. Конденсатор емкостью не менее 100 мкФ на каждую микросхему памяти обеспечивает необходимую скорость снижения напряжения питания (рис. 3).
Восстановление данных
Восстановление данных из области энергонезависимого ЭППЗУ осуществляется каждый раз при включении питания микросхемы. Цикл восстановления данных инициируется внутренними цепями контроля напряжения питания, когда напряжение на выводе УСС превышает пороговый уровень 4,25 В. Восстановление данных при включении питания осуществляется за время не более 650 мкс после достижения напряжением питания порогового уровня, что требует соответствующей продолжительности импульса сброса микропроцессора, если микросхема пувИАМ используется в качестве памяти программ.
Аналогично процессу сохранения данных, их восстановление может быть также осуществлено под управлением программой последовательности из шести циклов чтения данных по определенным адресам в области памяти. При этом благодаря параллельному переносу данных во всех ячейках памяти для полного восстановления данных требуется не более 20 мкс.
Поскольку восстановление данных не связано с необходимостью осуществления записи в ЭППЗУ, то никаких ограничений на предельное число циклов восстановления данных. При восстановлении данных из области ЭППЗУ предварительно осуществляется полная очист-
ка области ОЗУ, и все изменения в информации, происшедшие с момента осуществления последнего цикла сохранения данных будут потеряны. Это позволяет эффективно использовать микросхему nvSRAM для отладки программ работы микропроцессора. При использовании микросхемы памяти, не обладающей возможностью автоматического сохранения данных, достаточно простого отключения питания системы в случае непредвиденного «зависания», для того чтобы вернуться к первоначальной версии программы, сохраненной в области ЭППЗУ. В случае же удачной работы программы текущая ее версия может быть сохранена в ЭППЗУ путем программной инициализации цикла сохранения данных.
Поведение микросхем в режиме хранения данных
Для микросхем nvSRAM гарантируется минимальное время хранения данных в течение 10 лет с момента каждого из допустимых 105 циклов сохранения данных. При этом для микросхем nvSRAM время хранения данных на протяжении 10 лет гарантируется во всем диапазоне рабочих температур микросхемы, достигающим -55...+ 125 °C.
Габаритные размеры микросхем
Микросхемы nvSRAM выпускаются в стандартных 28-выводных корпусах DIP шириной 7,5 и 15 мм или в корпусах SOIC-28. Поэтому их можно использовать вместо микросхем стандартной статической памяти без какого-либо увеличения площади печатной платы.
Ассортимент выпускаемых микросхем nvSRAM
Массовое производство микросхем энергонезависимого статического ОЗУ было начато в 1996 году фирмами ZMD и Simtek. Первым коммерческим продуктом стало запоминающее устройство объемом 64 Кбита. В настоящий момент семейство микросхем nvSRAM пополнилось устройствами с объемом памяти 16 и 256 Кбит. Освоено также массовое производство микросхем с объемом памяти 256 Кбит и напряжением питания 3 В. В дальнейшем планируется расширение семейства микросхем nvSRAM устройствами с объемом памяти 1 Мбит.
-Q-
