CC BY
47Компоненты и технологии, № 7'2003 Компоненты
Надежность стального капкана
Энергонезависимая память Б1т1ек
О компонентах памяти написано много и даже более. Учитывая современные тенденции развития информационных технологий, рассмотрим память для мобильных систем, одними из важнейших параметров которой являются надежность и быстродействие.
Николай Ракович
Н£
рн
адежность любой микросхемы памяти определяется способностью сохранять данные, причем не только в рабочем режиме, но и в критических ситуациях (броски питания, шумы и т. д.). Существенную роль в этом играет технология производства, но об этом чуть ниже. Очевидно, что максимальную надежность может дать только энергонезависимая память. Выбрав из энергонезависимой памяти самую быструю, получим то, что необходимо. Но это решение «в лоб» не всегда дает необходимый результат. К этому следует добавить стоимость, организацию записи и чтения и т. д.
Сейчас выбор ИС энергонезависимой памяти достаточно широк: nvSRAM со встроенной батареей (Dallas Semiconductor), Flash (Intel, AMD), EEPROM (Atmel, ST Microelectronis), FRAM (Ramtron), nvSRAM (Simtek). Каждый тип памяти имеет свои достоинства и недостатки. Например, в некоторых электронных изделиях нельзя применять память со встроенным источником питания, поблочная запись данных во Flash ограничивает быстродействие и, соответственно, степень надежности сохранения данных. Технология плавающего затвора, на основе которой изготавливаются Flash и EEPROM, также налагает ограничения на надежность. Использование FRAM ограничено скоростью записи и ценой. Для наглядности можно обратиться к таблице 1, где приведены все виды памяти.
В энергонезависимой памяти nvSRAM (Simtek) — далее просто nvSRAM — устранены почти все проблемы, свойственные другим типам памяти, в том числе и на технологическом уровне. Главное досто-
Таблица 1. Сравнительные характеристики памяти
ROM PROM EPROM Flash EEPROM DRAM SRAM FRAM nvSRAM
Энергонезависимость + + + + + + +
Неограниченный срок службы + + +
Произвольный доступ + + + +
Необходимость регенерации +
Запись менее 35 нс + + +
Чтение менее 35 нс + + +
Возможность перепрограммирования в системе + + + + + +
Побайтное программирование + + + + +
инство nvSRAM — высочайшая надежность (рекламное сравнение с надежностью стального капкана вполне оправдано), которая достигнута за счет схемотехнического решения и применения технологии QuantumTrap™ («квантовый капкан»).
Технология РиаПишТгар используется при формировании элементов EEPROM вместо технологии плавающего затвора и является важным фактором, определяющим высокую надежность nvSRAM.
Технология плавающего затвора — основа производства Flash-памяти и традиционных EEPROM. Общим для всех вариантов этой технологии является перенос заряда через оксидный слой на проводящий плавающий затвор, где и происходит его запоминание. Относительно большие локальные токи или электрические поля, используемые при стирании и программировании, приводят к деградации оксидного слоя. Это приводит, в зависимости от варианта технологии, или к «залипанию» битов в состоянии «1», или утечке электронов с плавающего затвора на подложку через деградировавший слой оксида.
Эти проблемы устранены в технологии QuantumTrap, где для хранения заряда применяются значительно меньшие токи и электрические поля. Такое стало возможно благодаря очень тонкому слою окисла для накачки заряда и изолирующему слою — для хранения заряда. Как следствие, в приборах на базе технологии QuantumTrap нет утечки электронов на подложку. Пробой слоя оксида в таком приборе приведет только к небольшой локальной утечке.
Что такое пуБРДМ?
Это высокоскоростная энергонезависимая память с произвольным доступом (по ГОСТУ — запоминающее устройство с произвольной выборкой, ЗУПВ), созданная на основе стандартной SRAM, в которую интегрированы элементы EEPROM, выполненные по технологии QuantumTrap. Реально nvSRAM работает как две независимые памяти — SRAM и EEPROM. Статическая память идентична обычному ЗУПВ, а параллельный доступ к EEPROM возможен только через SRAM (рис. 1).
Компоненты и технологии, № 7'2003
С = керамический DIP (300 мил); P = пластиковый DIP (300 мил);
D = модуль DIP (600 мил); S = SOIC (350 мил);
L = LCC; N = SOIC W = пластиковый
(300 мил);
DIP (600 мил).
Организация памяти Вид сохранения данных Число выводов Корпус Обозначение
512x8 Аппаратное 28 W STK20C04
Аппаратное 28 N, P, S STK10C48
2 Kx8 Программное 28 N, P, S STK11C48
AutoStore 28 N, P, S, W STK22C48
AutoStore 24 W STK25C48
Аппаратное 28 C, L, P, S STK10C68
Программное 28 C, L, P, S STK11C68
8 Kx8 AutoStore 28 C, L, P, S, W STK12C68
AutoStore 28 P, S, W STK15C68
AutoStorePlus 28 W STK16C68
Программное 28 N, P, S, W STK11C88
32 Kx8 AutoStore 32 C, L, N, W STK14C88
AutoStore 28 N, P, S, W STK15C88
AutoStorePlus 28 W STK16C88
128 Kx8 AutoStore 32 D STK25CA8
При включении питания автоматически запускается режим восстановления данных RECALL, при котором все данные передаются из EEPROM в статическую память при достижении напряжения питания определенного уровня. Запись и чтение SRAM никак не затрагивают содержимое EEPROM (отличное ПЗУ с перезаписью!). Восстановление данных из EEPROM в SRAM можно инициировать и по команде. Максимальное время параллельной передачи всех данных из EEPROM в статическую память не превышает 20 мкс.
При сохранении данных (режим STORE) данные передаются из SRAM в EEPROM. Режим STORE может быть реализован (в зависимости от вида ИС, см. таблицу 2) автоматически (при пропадании питания), программным путем или аппаратным способом. Чтобы сохранить все данные из SRAM в EEP-ROM, требуется всего 10 мс.
В некоторых приборах реализована функция AutoStore, при которой сохранение данных происходит в фоновом режиме при падении напряжения питания. В ИС семейств
STK15Схх и STK25Схх для выполнения режима AutoStore используется системный конденсатор. В тех случаях, когда скорость падения напряжения питания велика или неопределенна, в семействах STK12Схх, STK14Схх и STK22Схх необходим внешний конденсатор небольшой емкости для гарантированного сохранения данных. В серии STK16Схх AutoStorePlus во внешнем конденсаторе нет необходимости — он уже встроен в ИС.
Программное сохранение данных (STORE) и восстановление данных (RECALL) реализуется чтением последовательности из шести определенных адресов, тактируемых сигналом с вывода доступа кристалла. Эти функции могут быть использованы для хранения определенного кода и данных или программного перезапуска системы после записи в SRAM. Режимы программных STORE и RECALL имеются в STK11Схх и в большинстве приборов с функцией AutoStore.
Аппаратное сохранение данных реализовано в семействах STK10Схх, STK12Схх, STK14Схх.
Архитектура nvSRAM
Как уже отмечалось, она идентична асинхронной статической памяти с произвольной выборкой (рис. 1). При обычном режиме работы нет никаких различий между статической памятью и nvSRAM. Различие появляется при передаче данных из матрицы SRAM в матрицу EEPROM (режим STORE) и обратно (RECALL). Реально две матрицы физически объединены в одну.
При подаче питания аналоговая схема управления питанием Power Control отслеживает уровень питания и запускает автоматический самосинхронизирующийся режим восстановления данных RECALL. Данные, таким образом, сразу доступны пользователю. Программное восстановление данных реализуется схемой Software Detect на основе ПЛМ, которая постоянно проверяет адреса, тактируемые сигналом на выводе Е. Когда определяется заданная последовательность адресов, статическая память изолируется от системы, данные в ней стираются и записываются данные из EEPROM. Массив данных объемом 256 кбайт переносится из EPROM в SRAM за 20 мкс (пропускная способность — 13 Гбит/с).
Режим STORE запускается схемой управления питанием Power Control при сбое питания (параллельная передача данных со скоростью 26 Мбит/с) или схемой Software Detect — при определенной последовательности адресов.
Восстановление дефектных битов с помощью встроенной схемы резервирования позволяет увеличить выход годных кристаллов.
Основное отличие энергонезависимой памяти Simtek от других энергонезависимых элементов памяти заключается в том, что высоковольтная часть схемы ограничена только блоком управления STORE/RECALL Control c одним ключом. Этот единственный высоковольтный узел — шина из поликремния второго уровня, которая подключается к транзисторам, обеспечивающим энергонезависимый режим. Никакие другие транзисторы матрицы памяти к высокому напряжению не подключены, что никак не отражается на работе стандартных элементов nvSRAM. Результатом такой архитектуры является дополнительная надежность всей памяти в целом, а ограниченное число высоковольтных элементов привлекательно с точки зрения экономии места на кристалле. Существующую схему памяти не потребуется перерабатывать при внедрении технологии Simtek.
В качестве примера рассмотрим микросхему STK14C88. Память STK14C88-3 — быстрое статическое ОЗУ 32 Кх8 с энергонезависимым элементом в каждой ячейке памяти (рис. 1). Количество циклов чтения-записи неограниченно, при этом данные в энергонезависимых элементах сохраняются достаточно долго (100 лет).
STK14C88-3 работает в двух различных режимах: памяти и энергонезависимом режиме. В режиме памяти микросхема функционирует как обычное быстродействующее статическое ОЗУ. В энергонезависимом режиме
Компоненты и технологии, № 7'2003
ADDRESS
DQ(DATA OUT) I
DATA VALID-
Рис. 2. Временная диаграмма записи данных READ#1
ADDRESS ; Е
DQ(DATA OUT).
Ir
Рис. 3. Временная диаграмма записи данных READ#2
ADDRESS
12
14
17
18
W
DATA IN -
13
20
*WLQZ
DATA OUT
PREVICUS DATA
HIGH IMPEDANCE
19
16
21
Рис. 4. Временная диаграмма записи данных (управление по W)
ADDRESS ZD С
12
.18
14
17
W I
13
DATA IN DATA OUT
19 _
" fEHAX
HIGH IPEDANCE
Рис. 5. Временная диаграмма записи данных (управление по Е)
L. .1 ^ ♦ 11 *
4 t6 » 'elqv ^ 'EHCCL ^
? ELQX *
' j- 4. *EHQZ
'4 9 ►
* 8 'glov W GLQX ► у \ TGHQZ
4 t10 M 'EUCCH w ACTIVE
Wen ^ fEHDX ^
> С DATAVAUD ] 4
данные передаются из памяти в энергонезависимые элементы (режим хранения STORE) или из энергонезависимых элементов в память (режим восстановления RECALL). При этом все функции памяти заблокированы.
Устранение помех. Поскольку STK14C88-3 является быстродействующей памятью, то для надежной работы необходим ВЧ-конденсатор порядка 0,1 мкФ между Vcap и Vss, причем выводы конденсатора и дорожки печати должны быть максимально короткими. Требования к разводке питания, «земли», и сигналов те же, что и для всех быстрых КМОП ИС.
Чтение памяти. Цикл чтения READ для STK выполняется, когда на E и G низкий уровень, а на W и HSB — высокий. Доступ к конкретному байту данных из имеющихся 32768 определяется адресом на выводах А0-14. Если чтение инициализируется адресным переходом (цикл чтения READ#1, рис. 2), то действительное значение появится на выходе через tAVQV. При инициализации чтения E или G (цикл чтения READ#2, рис. 3), данные появятся на выходе с задержкой tELQV или tGLQV (с большей задержкой из двух). Состояние на выходе будет сохраняться до тех пор, пока не произойдет изменение адреса или на выводах E или G не установится высокий уровень или на W или HSB — низкий.
Запись в память. Если на E и W низкий уровень, а на HSB — высокий, то выполняется запись данных в память (WRITE). Адрес должен быть установлен до начала и оставаться неизменным до конца цикла записи, или пока на E или W не установится высокий уровень. Данные на выводах входа-выхода DQ0-7 будут записаны в память при условии, что они остаются неизменными на этих выводах tDVWH (если запись управляется W, рис. 4) или tDVEH (для управления по E, рис. 5).
Чтобы на шине данных не возникало эффекта «состязания», рекомендуется удерживать на выводе G высокий уровень во время записи. Если на G будет низкий уровень, то встроенная схема отключит выходные буферы через tWLQZ после перехода W в низкий уровень (со всеми вытекающими отсюда последствиями).
Программная запись в энергонезависимую память STORE
Кроме автоматической записи данных в энергонезависимую память при сбое питания в STK14C88-3 предусмотрена возможность программной записи данных (STORE) (в любой момент времени) при помощи шести циклов чтения из специальных адресных ячеек (временная диаграмма на рис. 6). Во время этой записи в первую очередь стираются данные предыдущей записи, а затем выполняется программа копирования данных из ОЗУ в энергонезависимую память. При инициализации программной записи операции ввода-вывода запрещаются до окончания цикла. Поскольку при инициализации STORE используется последовательность операций чтения специальных адресов, то важно, чтобы никакие другие операции чтения или записи не вклинились в этот процесс. В противном
Компоиеиты и технологии, № 7'2003
Таблица З. Инициализация программной записи данных
№№ Считываемый адрес Действие
1 0E38 (hex) Чтение адреса
2 31C7 (hex) Чтение адреса
3 03E0 (hex) Чтение адреса
4 3C1F (hex) Чтение адреса
5 303F (hex) Чтение адреса
6 0FC0 (hex) Запуск STORE
случае программная запись данных в энергонезависимую память не состоится. Последовательность команд чтения для запуска STORE приведена в таблице 3.
Как только считывается шестой адрес этой последовательности, внешний доступ к ИС блокируется, и происходит сохранение данных. Важным моментом такого сохранения данных является использование только операций чтения (какая-либо запись при этом отсутствует, требуется лишь удержание низкого уровня на G). Программный цикл записи завершается через tSTORE, после чего оперативная память снова готова к записи и чтению.
Программное восстановление данных из энергонезависимой памяти RECALL аналогично программной записи: для инициализации выполняется чтение определенных адресов (таблица 4).
Таблица 4. Инициализация программного восстановления данных
№№ Считываемый адрес Действие
1 0E38 (hex) Чтение адреса
2 31C7 (hex) Чтение адреса
3 03E0 (hex) Чтение адреса
4 3C1F (hex) Чтение адреса
5 303F (hex) Чтение адреса
6 0C63 (hex) Запуск RECALL
Операция RECALL выполняется за два шага. Сначала очищается ОЗУ, а затем происходит перенос информации из энергонезависимой памяти в ячейки оперативной памяти за время tRECALL, после чего можно снова читать и писать. Учитывая, что при восстановлении данные в энергонезависимой памяти не изменяются, их можно восстанавливать
ЮкОм
—с 1 1— 1 32
с 31
с 30
с
с
с
+ ® Я — 1 ° — с Z с
5* с
с
с
с
с
с
с
—с 16 17
Рис. 8. Схема подключения накопительного конденсатора в режиме автосохранения данных
АиЬэЗЬэге™
неограниченное число раз (как вариант ПЗУ со 100-летним сроком хранения).
Режим автосохранения данных АиТоБГоге
В режиме нормального автосохранения данных происходит заряд конденсатора, подсоединенного к выводу УСАР, который используется для выполнения однократной записи данных в энергонезависимую память. Если напряжение на УСАР станет ниже У5№1ТСН, то схема управления автоматически отключит вывод УСАР от питания УССХ и запустит режим сохранения данных (рис. 7). На рис. 8 показана схема подключения конденсаторов для автоматического сохранения данных, емкость накопительного конденсатора должна быть в пределах 68-220 мкФ.
Чтобы избежать нежелательных записей в энергонезависимую память, вывод ГОВ устанавливается в низкий уровень (подключается к УСАР через внешний резистор), при
этом будет игнорироваться команда записи WRITE. Это, кстати, является для системы сигналом, что работает AutoStore. Наличие или отсутствие команды записи на программное сохранение данных никак не влияет.
В случае, если напряжение питания падает быстрее, чем 20 В/мкс, то между выводом VCCX и источником питания необходимо установить резистор 1 Ом для устранения броска тока между VCCX и VCAP.
Аппаратная запись в энергонезависимую память
Для аппаратной записи данных в энергонезависимую память используется вывод HSB (рис. 9). Кроме того, этот вывод работает как индикатор активного режима сохранения данных (независимо от вида данного режима).
Если при включении нескольких STK14C88-3 применяется один конденсатор большой емкости, то вывод HSB используется для их синхронизации.
HSB(in) -
25
24
Recover
22
26
HSB(OUT) HIGH IMPEDANCE
23
DQ (DATA OUT)
HIGH IMPEDANCE
DATA VALID
Рис. 9. Временная диаграмма аппаратной записи в энергонезависимую память
Компоненты и технологии, № 7'2003
Выводы
Память nvSRAM «едина в трех лицах»: заменяет память со встроенным питанием, Flash и EEPROM.
Использование nvSRAM вместо памяти со встроенным питанием позволяет:
• избавиться от контактных сбоев; потери данных при коротком замыкании или электрических помехах; головной боли, связанной с установкой (не нужны специальные контакты) ИС и контролем питания;
• быстрее читать-записывать данные;
• устанавливать микросхему прямо на плату;
• иметь память, не только совместимую по выводам со стандартной batRAM, но и в корпусе miniDIP и SMD.
При замене Flash-памяти:
• легкое и быстрое сохранение данных;
• побайтная запись и чтение;
• отсутствие проблем плавающего затвора;
• однополярное питание;
• все программы и данные сохраняются за один цикл STORE пользователем или автоматически при сбое питания;
• память программ, память данных и статическое ЗУПВ в одном корпусе.
В сравнении с EEPROM:
• не имеет ограничений на число циклов записи;
• обладает симметричным циклом чтение-запись 20 нс;
• может сохранить всю матрицу данных при сбое питания с использованием нулевого системного времени;
• нет проблем плавающего затвора;
• 100% контроль при сохранении данных (недоступно при технологии плавающего затвора). Автор надеется, что полученная информация поможет в выборе памяти для каждого конкретного случая. Более подробные данные можно найти на сайте www.simtek.com.
е
