Надійність сталевого капкана - незалежна пам'ять Simtek
Про компонентах пам'яті написано досить багато (і навіть більше). Але прогрес не стоїть на місці, в тому числі і пам'ять. Тому, з огляду на сучасні тенденції розвитку інформаційних технологій, розглянемо пам'ять для мобільних систем, одними з найважливіших параметрів якої є надійність і швидкодію.
Надійність будь-якої мікросхеми пам'яті - здатність зберігати дані, причому не тільки в робочому режимі, але і в критичних ситуаціях (кидки харчування, шуми і т.п.). Істотну роль в цьому відіграє також технологія виробництва (про це трохи нижче). Очевидно, що максимальну надійність може дати тільки незалежна пам'ять. Вибравши з незалежної пам'яті найшвидшу, отримаємо те, що необхідно. Але це рішення "в лоб" не завжди дає необхідний результат. До цього слід додати вартість, організацію запису і читання і т.д.
Зараз вибір ІС незалежній пам'яті досить широкий: nvSRAM з вбудованою батареєю (Dallas Semiconductor), flash (Intel, AMD), EEPROM (Atmel, ST), FRAM (Ramtron), nvSRAM (Simtek). Кожен тип пам'яті має свої переваги, але і свої недоліки. Наприклад, в деяких електронних виробах не можна застосовувати пам'ять з вбудованим джерелом живлення, по блоках запис даних у flash обмежує швидкодію (і, відповідно, ступінь надійності збереження даних). Технологія плаваючого затвора, на основі якої виготовляються flash і EEPROM, також накладає обмеження на надійність. Використання FRAM обмежена швидкістю запису і ціною. Для наочності можна звернутися до таблиці 1, де наведені всі види пам'яті.
Таблиця 1. Порівняльні характеристики пам'яті
Технологія Quantum Trap ™ використовується при формуванні елементів EEPROM замість технології плаваючого затвора і є важливим фактором, що визначає високу надійність nvSRAM.
Технологія плаваючого затвора - основа виробництва flash-пам'яті і традиційних EEPROM. Загальним для всіх варіантів цієї технології є перенесення заряду через оксидний шар на який проводить плаваючий затвор, де і відбувається його запам'ятовування. Щодо великі локальні струми або електричні поля, які використовуються при стирання / програмуванні, призводять до деградації оксидного шару. Це призводить, в залежності від варіанту технології, або до "залипання" бітів в стані "1" або - витік електронів з плаваючого затвора на підкладку через деградованих шар оксиду.
Ці проблеми усунені в технології QuantumTrap ™, де для зберігання заряду застосовуються значно менші струми і електричні поля. Таке стало можливим завдяки дуже тонкому прошарку оксиду для накачування заряду і изолирующему шару для зберігання заряду. Як наслідок, в приладах на базі технології QuantumTrap ™ немає витоку електронів на підкладку. Пробій шару оксиду в такому приладі призведе тільки до невеликої локальної витоку.
Що таке nvSRAM?
Це високошвидкісна незалежна пам'ять з довільним доступом (за ДСТУ - пристрій з довільною вибіркою ЗУПВ), створена на основі стандартної SRAM, в яку інтегровані елементи EEPROM, виконані за технологією QuantumTrap ™. Реально nvSRAM працює як дві незалежні пам'яті - SRAM і EEPROM. Статична пам'ять ідентична звичайній ЗУПВ,
а паралельний доступ до EEPROM можливий тільки через SRAM (структурна блок-схема - на рис. 1).
Мал. 1. Блок-схема NV SRAM STK14C88-3
Таблиця 2. Сімейство незалежній пам'яті STK
Вид збереження даних
C = керамічний DIP (300 мил); P = пластиковий DIP (300 мил); D = SOIC (350 мил); S = SOIC (350 мил); L = LLC; N = SOIC (300 мил); W = пластиковий DIP (600 мил).
При включенні живлення автоматично запускається режим відновлення даних RECALL, при якому всі дані передаються з EEPROM в статичну пам'ять при досягненні напруги харчування певного рівня. Запис і читання SRAM ніяк не зачіпають вміст EEPROM (відмінне ПЗУ з перезаписом!). Відновлення даних з EEPROM в SRAM можна ініціювати і по команді. Максимальний час паралельної передачі всіх даних з EEPROM в статичну пам'ять не перевищує 20 мкс.
При збереженні даних (режим STORE) дані передаються з SRAM в EEPROM. Режим STORE може бути реалізований (в залежності від виду ІС, див. Таблицю 2) автоматично (при пропажі живлення), програмним шляхом або апаратним способом. Щоб зберегти всі дані (з SRAM в EEPROM) потрібно всього 10 мс.
У деяких приладах реалізована функція AutoStore ™, при якій збереження даних відбувається у фоновому режимі при падінні напруги живлення. В ІС сімейств STK15Схх і STK25Схх для виконання режиму AutoStore ™ використовується системний конденсатор. У тих випадках, коли швидкість падіння напруги харчування велика або невизначена, в родинах STK12Схх, STK14Схх і STK22Схх необхідний зовнішній конденсатор невеликої ємності для гарантованого збереження даних. У серії STK16Схх AutoStorePlus в зовнішньому конденсаторі немає необхідності - він вже вбудований в ІС.
Апаратне збереження даних реалізовано в родинах STK10Схх, STK12Схх, STK14Схх.
Як вже зазначалося вище, вона ідентична асинхронної статичної пам'яті з довільною вибіркою (рис. 1). При звичайному режимі роботи немає ніяких відмінностей між статичної пам'яттю і nvSRAM. Різниця з'являється при передачі даних з матриці SRAM в матрицю EEPROM (режим STORE) і назад (RECALL). Реально, дві матриці фізично об'єднані в одну.
Відновлення дефектних бітів за допомогою вбудованої схеми резервування дозволяє збільшити вихід придатних кристалів.
Основна відмінність незалежної пам'яті Simtek від інших енергонезалежних елементів пам'яті полягає в тому, що високовольтна частина схеми обмежена тільки блоком управління STORE / RECALL Control c одним ключем. Цей єдиний високовольтний вузол - шина з полікремнію другого рівня, яка підключається до транзисторів, що забезпечує незалежний режим. Ніякі інші транзистори матриці пам'яті до високої напруги не підключені, що ніяк не відбивається на роботі стандартних елементів nvSRAM. Результатом такої архітектури є додаткова надійність всієї пам'яті в цілому, а обмежене число високовольтних елементів привабливо з точки зору економії місця на кристалі. Існуючу схему пам'яті не буде потрібно переробляти при впровадженні технології Simtek.
Як приклад розглянемо мікросхему STK14C88. Пам'ять STK14C88-3 - швидке статичне ОЗУ 32Кх8 з енергонезалежною елементом в кожному осередку пам'яті (блок-схема приведена на рис. 1). Кількість циклів читання / запису необмежено, при цьому дані в енергонезалежних елементах зберігаються досить довго (100 років).
STK14C88-3 працює в двох різних режимах: режимі пам'яті і енергонезалежному режимі. У режимі пам'яті мікросхема функціонує як звичайне швидкодіючий статичне ОЗУ. У енергонезалежному режимі дані передаються з пам'яті в енергонезалежні елементи (режим зберігання STORE) або з енергонезалежних елементів в пам'ять (режим відновлення RECALL). При цьому всі функції пам'яті заблоковані.
Усунення перешкод. Оскільки STK14C88-3 є швидкодіючої пам'яттю, то для надійної роботи необхідний ВЧ-конденсатор близько 0,1 мкФ між Vcap і Vss. причому висновки конденсатора і доріжки друку повинні бути максимально короткими. Вимоги до розведення харчування, «землі», і сигналів ті ж, що і для всіх швидких КМОП ІС.
Мал. 2. Тимчасова діаграма запису даних READ # 2
Мал. 3. Тимчасова діаграма запису даних READ # 2
Мал. 4. Тимчасова діаграма запису даних (управління по W)
Мал. 5. Тимчасова діаграма запису даних (управління по Е)
Щоб на шині даних не виникало ефекту «змагання», рекомендується утримувати на виведення G високий рівень під час запису. Якщо на G буде низький рівень, то вбудована схема відключить вихідні буфери через tWLQZ після переходу W в низький рівень (з усіма наслідками, що випливають звідси наслідками).
Мал. 6. Тимчасова діаграма програмної записи / відновлення даних в енергонезалежну пам'ять
Програмна запис в незалежну пам'ять STORE
Таблиця 3. Ініціалізація програмної записи даних
Режим автосохранения даних AutoStore
В режимі нормального автосохранения даних відбувається заряд конденсатора, приєднаного до висновку VCAP, який використовується для виконання однократного запису даних в енергонезалежну пам'ять. Якщо напруга на VCAP стане нижче VSWITCH. то схема управління автоматично відключить висновок VCAP від харчування VCCX і запустить режим збереження даних (рис.7). На рис. 8 показана схема підключення конденсаторів для автоматичного збереження даних, ємність накопичувального конденсатора повинна бути в межах 68-220 мкФ.
Мал. 7. Тимчасова діаграма режиму автосохранія даних Autostore
Мал. 8. Схема підключення накопичувального конденсатора в режимі автосохранія даних Autostore
Щоб уникнути небажаних записів в незалежну пам'ять, висновок HSB встановлюється в низький рівень (підключається до VCAP через зовнішній резистор), при цьому буде ігноруватися команда записи WRITE. Це, до речі, є для системи сигналом, що працює AutoStore. Наявність або відсутність команди записи на програмне збереження даних ніяк не впливає.
У разі, якщо напруга живлення падає швидше, ніж 20 В / мкс, то між висновком VCCX і джерелом харчування необхідно встановити резистор 1 Ом для усунення кидка струму між VCCX і VCAP.
Апаратна запис в незалежну пам'ять
Для апаратної запису даних в енергонезалежну пам'ять використовується висновок HSB (рис.9). Крім цього, цей висновок працює як індикатор активного режиму збереження даних (незалежно від виду цього режиму).
Якщо при включенні декількох STK14C88-3 застосовується один конденсатор великої ємності, то висновок HSB використовується для їх синхронізації.
Мал. 9. Тимчасова діаграма апаратної запису в еенргонезавісімую пам'ять
Пам'ять NvSRAM «єдина в трьох особах»: замінює пам'ять з вбудованим харчуванням, flash і EEPROM.
Використання nvSRAM замість пам'яті з вбудованим харчуванням дозволяє:
При заміні Flash-пам'яті:
-
легке і швидке збереження даних; побайтное запис і читання; відсутність проблем плаваючого затвора; однополярної харчування; всі програми і дані зберігаються за один цикл STORE пльзователем або автоматично при збої живлення; пам'ять пограмма, пам'ять даних і статичну ЗУПВ в одному корпусі.
У порівнянні з EEPROM:
- не має обмежень на кількість циклів запису;
- володіє симетричним циклом читання / запис 20 нс;
- може зберегти всю матрицю даних при збої живлення з використанням нульового системного часу;
- немає проблем плаваючого затвора;
- 100% контроль при збереженні даних (недоступно при технології плаваючого затвора).