| |  | | |  |  | МОСКВА,
Большая Почтовая ул., 34, стр. 8, офис 101
(495) 956 3942 (495) 956 3943 (факс)
(800) 200 3942 (бесплатные звонки) | | | | | | филиалы: • • • | | | | | | | | | | | | Программа поставок | | Микросхемы энергонезависимых ОЗУ «...долгая память – хуже, чем сифилис,
особенно – в узком кругу...»
Б. Г. | В некоторых электронных приборах (торговые терминалы, контроллеры АСУТП, системы доступа, RAID-контроллеры и т. п.) может требоваться память, сочетающая свойства как ОЗУ (неограниченное количество циклов записи без разрушения ячейки памяти), так и ПЗУ (сохранение информации при отключении питания). Такие компоненты носят название энергонезависимых (nonvolatile, NV) ОЗУ. Современные методы достижения этих свойств можно разбить на три группы. ОЗУ с резервным источником питания (Battery-backed SRAM) Простейший способ реализации – добавление к ИМС стандартного ОЗУ с низким энергопотреблением специализированного контроллера, осуществляющего контроль напряжения питания и, при его снижении ниже заданной величины, блокирующего обращение к ОЗУ со стороны системы и переключающего питание ОЗУ на резервный источник. В зависимости от требуемого времени хранения информации и энергопотребления ОЗУ (менее 5 мкА тип. в режиме ожидания) в качестве резервного источника питания могут использоваться гальванические элементы (преимущественно – литиевые), аккумуляторы или ионисторы (конденсаторы высокой емкости с «двойным электрическим слоем»). Контроллер может выполняться как в виде отдельной ИМС, так и помещаться в один корпус с ОЗУ и резервным источником. Контроллеры NVRAM предлагаются фирмами ST Microelectronics, Maxim/Dallas, Sipex, TI, Analog devices (см. раздел «Контроль качества и управление энергией»). Готовые модули энергонезавимых ОЗУ со встроенным или внешним («SnapHat») литиевым элементом – ST Microelectronics, Maxim/Dallas и TI. Достоинства данного метода: - Действительно неограниченный ресурс по циклам записи.
К недостаткам следует отнести: - Невозможность получения высоких скоростей обмена (время доступа к данным ОЗУ с низким энергопотреблением – 55 нс и более);
- Увеличение числа компонентов;
- Уменьшение надежности в связи с ограничениями по емкости, саморазряду и температурным характеристикам эксплуатации резервного источника (известны случаи фальсификации продуктов Maxim/Dallas с использованием низкокачественных литиевых элементов).
ОЗУ с «теневым» ПЗУ В микросхемах энергонезависимых ОЗУ данного типа для хранения информации при отсутствии напряжения питания используются ячейки ПЗУ с электрической записью и стиранием информации, встроенные в каждую ячейку памяти ОЗУ. В зависимости от алгоритма функционирования ОЗУ (см. таблицу) устройство управления ИМС контролирует напряжение питания системы, состояние дополнительных функциональных входов микросхемы (при их наличии) и/или наличие во входном потоке адресной информации специальных управляющих последовательностей и выдает сигналы записи (10 ... 15 мс) в массив ячеек ПЗУ из массива ячеек ОЗУ или чтения (менее 1 мс) в обратном направлении, а также блокирует обращение для записи в ОЗУ при падении напряжения питания ниже установленного предела. Энергия для осуществления записи ПЗУ получается из небольшого конденсатора (встроенного в ИМС или внешнего) или из емкости, распределенной на шинах питания системы. Как правило, микросхема имеет следующие режимы работы (как минимум – первые три): | Режим работы | Действия | | ОЗУ | Чтение и запись информации как в обычное ОЗУ соответствующей емкости | | Автоматическое сохранение | При падении напряжения питания ниже заданного уровня устройство управления блокирует обращение к микросхеме для записи и производит перезапись содержимого ОЗУ в ПЗУ | | Автоматическое восстановление | При подаче напряжения питания устройство управления производит перезапись информации из ПЗУ в ОЗУ | | Программное сохранение и восстановление | При обнаружении устройством управления 6 последовательных циклов чтения по указанным в документации адресам оно инициирует цикл сохранения или восстановления соответственно | | Аппаратное сохранение и восстановление | При соответствующей установке сигналов на линиях «Выбор кристалла» (!E), «Чтение/запись» (!W), «Разрешение выхода» (!G), «Разрешение ЭС ППЗУ» (!NE или !HSB) устройство управления производит цикл сохранения или восстановления соответственно | |
ИМС данного типа предлагаются фирмами Cypress (купившей в сентябре 2008 фирму Simtek) и ON semiconductor (купившей в октябре 2008 фирму Catalyst). Фирма Simtek использовала патентованную технологию ПЗУ «SONOS» с трехслойным подзатворным диэлектриком (SiO2 – Si3N4 – SiO2), обеспечивающую в несколько десятков раз более высокий ресурс по циклам записи и примерно в 1000 раз меньшее время записи по сравнению с технологией Flash. Фирма ZMD – прекратила производство. Достоинства данного метода: - Высокое быстродействие (время доступа к данным – 15 ... 45 нс);
- Интегральное исполнение;
- Высокая устойчивость к воздействиям окружающей среды;
- Возможность производства в соответствии со стандартом MIL-STD-883.
К недостаткам следует отнести ограниченность ресурса по циклам записи (порядка 106 записей для Simtek, 2*105 ... 1*106 – для Cypress и 105 – для ZMD).
ОЗУ с использованием других физических принципов В отличие от других типов интегральных запоминающих устройств, использующих бистабильность триггерной схемы статического ОЗУ или туннелирование электронов через слой диэлектрика в ПЗУ типа EEPROM или Flash – здесь используются смещение атомов в кристаллической решетке или квантовые эффекты. В основе одного из запоминающих элементов подобного типа, в настоящее время уже освоенного в массовом микроэлектронном производстве, лежит электрический гистерезис некоторых диэлектриков – отставание накопленного заряда от приложенного напряжения. Этот эффект вызывается устойчивым смещением атомов в элементарных ячейках кристаллической решетки под воздействием внешнего электрического поля. Фирма Ramtron использует тонкие пленки цирконата-титаната свинца Pb (Zr, Ti) O3, имеющего ярко выраженные сегнетоэлектрические свойства, наносимые на поверхность кристалла ИМС, изготовленного по традиционной КМОП технологии. По сравнению с технологией Flash ПЗУ, применяемая фирмой Ramtron технология «F-RAM» обеспечивает в десятки тысяч раз больший ресурс по циклам записи, в тысячи раз меньшие затраты энергии при записи и примерно в 500 раз меньшее время записи. При этом термин «ферроэлектрический» не имеет к принципу работы никакого отношения за исключением, может быть, того, что магнитный гистрезис более известен и используется для хранения информации почти 100 лет. Таким образом, данные ЗУ практически не подвержены влиянию внешних магнитных полей, а влиянием внешних электрических полей можно пренебречь, так как напряженность поля в ячейке при операциях записи и чтения составляет сотни кВ/см. Помимо собственно энергонезависимых ОЗУ фирма Ramtron предлагает также супервизоры (контроль и переключение питания, сторожевой таймер, интерфейсы I2C или SPI, энергонезависимое ОЗУ, часы реального времени и т. п.), энергонезависимые D-триггеры и быстрые микроконтроллеры на ядре MCS-51 со встроенным энергонезависимым ОЗУ. Отдельного рассмотрения требуют ресурс и надежность данной технологии. В отличие от EEPROM или Flash, чтение сегнетоэлектрического элемента памяти – разрушающее (как у ИМС динамических ОЗУ) и требует обратной записи. Таким образом, тестовые данные ресурса (экстраполяция к номинальному напряжению питания дает порядка 1015 циклов обращения для продуктов Ramtron и 1010 – для Fujitsu) относятся к суммарному количеству обращений к ячейке. При использовании ИМС со страничной организацией (серия FM24) также надо учитывать, что обращение производится ко всей странице. При расчетах надежности также надо учитывать иной механизм отказов – для сегнето-электрической ячейки это не катастрофическое повреждение с невозможностью записи, а увеличение вероятности потери информации из-за снижения заряда, требуемого для переключения состояния. Достоинства данной технологии: - Интегральное исполнение;
- Высокая устойчивость к воздействиям окружающей среды;
- Практически неограниченный ресурс.
Недостатки: - В промышленных масштабах она освоена пока только фирмами Ramtron, Fujitsu и Texas Instruments
(последние – по лицензии Ramtron); - Возможность фальсификации ИМС с последовательным интерфейсом путем использованием кристаллов стандартных EEPROM или Flash ПЗУ серий 24 и 25.
Другая технология, уже вышедшая из стен лабораторий в свет – использование для хранения информации магнитных свойств вещества (магнитные моменты неспаренных электронов в оболочках атомов), что можно считать дальнейшим развитием технологий магнитной записи, упомянутых в предыдущем разделе. Два основных направления – это туннельные переходы, управляемые спином, и эффект гигантского магнитосопротивления (Нобелевская премия по физике 2007 года), которые несмотря на различие принципов работы приводят к одинаковому результату – резкому изменению сопротивления ячейки в зависимости от ориентации магнитного поля в ней. Энергонезависимость хранения обеспечивается магнитным гистерезисом. Достаточно устоявшимся термином для обеспечения подобных ЗУ является MRAM (manetoresistive RAM). В настоящее время на рынке представлена не только технологии и продукция фирм-пионеров, таких, как NVE corporation и Grandis, но и крупных производителей, таких, как EverSpin (ранее – Freescale и Motorola). Значительное количество фирм заявило о своем интересе к коммерциализации данной технологии: Infineon / IBM research (презентация образцов – 2004 год), Renesas (работы начаты в 2005 году), Honeywell (производство высоконадежных ИМС). С другой стороны – фирма Cypress, представившая образцы продукции в 2005 году, отказалась от дальнейшего развития этой технологии (как показало развитие событий – в пользу сотрудничества с Simtek). Надежность хранения информации в условиях воздействия внешних магнитных полей достаточно высока, благодаря использованию внутреннего экранирования ячеек памяти. Так, для ИМС фирмы EverSpin допустимая напряженность внешнего поля при чтении или хранении информации составляет 100 эрстед, а при записи – от 15 до 25 эрстед (для сравнения – проводник с током 200 А создает в воздушной среде на расстоянии 2 см поле с напряженностью 20 эрстед). Достоинства данной технологии: - Интегральное исполнение (хотя и более сложное, чем у сегнетоэлектрических ОЗУ);
- Высокая устойчивость к воздействиям окружающей среды;
- Практически неограниченный ресурс (на данный момент – нет данных, но можно ориентироваться на магнитные изоляторы фирмы NVE, использующие сходные принципы).
Недостатки: - В промышленных масштабах она освоена пока только фирмой EverSpin (именно для производства энергонезависмых ОЗУ). Фирма e2v производит проверку данных ИМС на воздействие специальных факторов и присваивает им свое обозначение (префикс «EV»).
К сожалению, приходится констатировать, что в основах технологий, упомянутых в двух предыдущих разделах (сегнетоэлектрики и контролируемые спином туннельные переходы), лежат фундаментальные работы российских ученых. Другим перспективным направлением является память с использованием изменений фазового состояния материала – Phase Change Memory (PCM). Один из вариантов – изменение сопротивления халькогенидных стекол при изменении фазового состояния с аморфного на кристаллическое и обратно при повышении температуры. Локальное повышение температуры может быть осуществлено с помощью микронагревателей. В настоящее время коммерциализацией приборов на основе данного эффекта занимается фирма Numonyx (объединение подразделений Intel и ST microelectronics по производству ИМС Flash-памяти).
Подбор ИМС по основным характеристикам,
проверка наличия на складе и документация: ИМС энергонезависимых ОЗУ с параллельным интерфейсом | Организация | Цоколевка
стандарт-
ного ОЗУ | Технология
и особенности | Наименования | Напряжение питания | Корпус | Склад | Оригинальная
документация | | 64*4 | – | Теневое ПЗУ, другие алгоритмы | CAT22C10 | 5.0 | DIP18, SOIC16 (150 mil) | | CAT22C10.pdf
размер 69 Kb | | 2K*8 | 2K*8 | Резервный источник питания | M48Z02(3), M48Z12, DS1220 | 5.0 | DIP24 |  | M48Z12.pdf
размер 176 Kb | | 8K*8(1) | Теневое ПЗУ с автоматическим сохранением и восстановлением | STK22C48, CY22E016 | 5.0 | SOIC28 (300/330 mil) | | CY22E016L.pdf
размер 518 Kb | | 8K*8 | 8K*8 | Резервный источник питания | M48Z08, M48Z18, M48Z58, BQ4010, DS1225 | 5.0 | SOH28(2), DIP28 | | M48Z18.pdf
размер 336 Kb | | 8K*8(1) | Теневое ПЗУ с автоматическим сохранением и восстановлением | STK12C68, CY14E064, U632H64 | 5.0 | SOIC28, DIP28 (300/600 mil.), CDIP28, LCC28 | | STK12C68.pdf
размер 489 Kb | | 8K*8 | Теневое ПЗУ, другие алгоритмы | STK11C68, U635H64, U63764 | 5.0 | | STK11C68.pdf
размер 448 Kb | | 8K*8 | Сегнетоэлектрическое | FM1608 | 5.0 | DIP28, SOIC28 | | FM1608.pdf
размер 145 Kb | | 32K*8 | 32K*8 | Резервный источник питания | M48Z35, BQ4011, DS1230 | 3.3, 5.0 | SOH28(2), DIP28 | | M48Z35.pdf
размер 285 Kb | | Теневое ПЗУ с автоматическим сохранением и восстановлением, прямая замена предыдущих | STK16C88 | 3.3, 5.0 | DIP28 | STK16C88.pdf
размер 358 Kb | | Теневое ПЗУ с автоматическим сохранением и восстановлением | STK15C88, 635H256, 637x256 | 3.3, 5.0 | DIP28, SOIC28 (300/330 mil.) | | STK15C88.pdf
размер 376 Kb | | Теневое ПЗУ, другие алгоритмы | STK11C88, U631H256 | 5.0 | | STK11C88.pdf
размер 367 Kb | | Сегнетоэлектрическое | FM18x08 | 3.3, 5.0 | SOIC28, DIP28, TSOP(I)32 | | FM18L08.pdf
размер 127 Kb | | MB85R256 | 3.3 | SOIC28, TSOP(I)28 | MB85R256H.pdf
размер 231 Kb | | – | Теневое ПЗУ с автоматическим сохранением и восстановлением | STK14C88, STK14D88, CY14x256, U634H256 | 3.0, 3.3, 5.0 | SOIC32, DIP32 (300 mil.), CDIP28 (600 mil.), LCC32, SSOP48 | | CY14B256L.pdf
размер 596 Kb | | 128K*8 | 128K*8 | Резервный источник питания | M48Z128, M48Z129, BQ4013, DS1245 | 3.3, 5.0 | DIP32 | | M48Z129V.pdf
размер 304 Kb | | 128K*8(1) | Теневое ПЗУ с автоматическим сохранением и восстановлением | STK14CA8, CY14B101L | 3.0 | SOIC32, SSOP48 | | CY14B101L.pdf
размер 585 Kb | | Сегнетоэлектрическое | FM20L08 | 3.0 | TSOP32 | | FM20L08T.pdf
размер 141 Kb | | – | Сегнетоэлектрическое | MB85R1001 | 3.3 | TSOP(I)48 | | MB85R1001.pdf
размер 88 Kb | | 64K*16 | – | Сегнетоэлектрическое | MB85R1002 | 3.3 | TSOP(I)48, FBGA48 | | MB85R1002.pdf
размер 94 Kb | | – | Магниторезистивное | MR0A16 | 3.3 | TSOP(II)44 | | MR0A16A.pdf
размер 236 Kb | | 256K*8 | 256K*8 | Резервный источник питания | DS1249 | 3.3, 5.0 | DIP32 | | DS1249.pdf
размер 190 Kb | | – | Сегнетоэлектрическое | MB85R2001 | 3.3 | TSOP(I)48 | | MB85R2001.pdf
размер 279 Kb | | 128K*16 | – | Сегнетоэлектрическое | MB85R2002 | 3.3 | TSOP(I)48 | |
| | 128K*16(1) | FM21L16 | 3.0 | TSOP(II)44 | | FM22L16.pdf
размер 216 Kb | | – | Магниторезистивное | MR1A16 | 3.3 | TSOP(II)44 | | MR1A16A.pdf
размер 237 Kb | | – | Резервный источник питания | DS1258 | 3.3, 5.0 | DIP40 | | DS1258.pdf
размер 202 Kb | | 512K*8 | 512K*8 | Резервный источник питания | M48Z512, BQ4015, DS1250 | 3.3, 5.0 | DIP32 | | M48Z512BV.pdf
размер 194 Kb | | – | Теневое ПЗУ с автоматическим сохранением и восстановлением | STK14EC8(4), CY14E104L, CY14B104L | 3.0, 5.0 | TSOP(II)44 | | CY14B104L.pdf
размер 660 Kb | | 256K*16 | 256K*16(1) | Теневое ПЗУ с автоматическим сохранением и восстановлением | STK14EC16(4), CY14E104N CY14B104N | 3.0, 5.0 | TSOP(II)44, TSOP(II)54 | | CY14B104N.pdf
размер 660 Kb | | Сегнетоэлектрическое | FM22L16 | 3.0 | TSOP(II)44 | FM22L16.pdf
размер 216 Kb | | Магниторезистивное | MR2A16, EV2A16 | 3.3 | EV(X)2A16_MRAM_e2v.pdf
размер 277 Kb | | 1M*8 | N/A | Резервный источник питания | DS1265 | 3.3, 5.0 | DIP36 | | DS1265.pdf
размер 189 Kb | | 2M*8 | N/A | Резервный источник питания | M48Z2M1, BQ4017, DS1270 | 3.3, 5.0 | DIP36 | | M48Z2M1V.pdf
размер 309 Kb | |
| ( 1 ) | На неподключенных в стандартном ОЗУ соответствующего объема выводах могут находиться служебные выводы энергонезависимого ОЗУ.
| | ( 2 ) | Корпус «SnapHat» со съемным литиевым элементом резервного питания (M4Z28 емкостью 48 мА/ч или M4Z32 – 120 мА/ч), идентичный по посадочному месту корпусу SOIC.
| | ( 3 ) | Все микросхемы с индексом «T» вместо «Z» имеют также часы реального времени. При использовании «SnatHat» версии индексы заменяются и у элемента питания (M4T28 и M4T32, соответственно, со встроенным кварцевым резонатором).
| | ( 4 ) | В разработке (на базе 130 нм КМОП технологии фирмы Cypress).
|
ИМС энергонезависимых ОЗУ с последовательным интерфейсом Данные ИМС в большинстве случаев полностью аналогичны стандартным ИМС с интерфейсами I2C (серия 24) или SPI (серии 25 и 95), выполненным на базе технологий EEPROM или Flash. В настоящее время в этой группе представлены только ИМС фирмы Ramtron (за исключением CAT24C44 фирмы Catalyst и MB85RS256 фирмы Fujitsu). | Интерфейс | Организация | Наименование | Напряжение питания | Корпус | Склад | Оригинальная
документация | | I2C | 512*8 | FM24Cx04 | 3.0, 5.0 | SOIC8 (150 mil) | | FM24C04A.pdf
размер 96 Kb | | 2K*8 | FM24Cx16 | SOIC8 (150 mil) leadless* | FM24C16A.pdf
размер 92 Kb | | 8K*8 | FM24Cx64 | 3.0, 5.0 | SOIC8 (150 mil) leadless* | | FM24C64.pdf
размер 97 Kb | | FM313x (RTC) | 3.0 | SOIC8 (150 mil), SOIC20, leadless | | FM3135.pdf
размер 266 Kb | | 32K*8 | FM24C256 | 5.0 | SOIC8 (210 mil) | | FM24C256.pdf
размер 103 Kb | | 64K*8 | FM24C512 | 3.0 | SOIC8 (210 mil) | | FM24C512.pdf
размер 114 Kb | | 4K*8 - 256K*8 | FM3127x, FM31L27x (RTC, event counter, S/N, supervisor, PFD) | 3.0, 5.0 | SOIC14 (150 mil) | |
| | 4K*8 - 256K*8 | FM3227x, FM32L27x (event counter, S/N, supervisor, PFD) | | FM32L27x.pdf
размер 274 Kb | | SPI | 512*8 | FM25040, FM25L04 | 3.0, 5.0 | SOIC8 (150 mil), leadless | | FM25040A.pdf
размер 141 Kb | | 2K*8 | FM25C160, FM25L16 | FM25C160.pdf
размер 146 Kb | | 8K*8 | FM25640, FM25CL64 | FM25640.pdf
размер 186 Kb | | 32K*8 | FM25256, FM25L256 | 3.0, 5.0 | SOIC8 (150 mil), leadless | | FM25L256B.pdf
размер 148 Kb | | MB85RS256 | SOIC8 (150 mil) | MB85RS256.pdf
размер 279 Kb | | 64K*8 | FM25L512 | 3.0, 5.0 | Leadless | | FM25L512.pdf
размер 164 Kb | | 256K*8 | FM25H20 | FM25H20.pdf
размер 156 Kb | | 2K*8, 32K*8 | FM3316, FM33256 (RTC, event counter, S/N, supervisor, PFD) | 3.0 | SOIC14 (150 mil) | |
| | Microwire | 16*16 | CAT24C44 | 5.0 | DIP8, SOIC8 (150 mil) | |
| |
| * | Здесь и далее – различные варианты безвыводных корпусов (с контактными площадками по периметру или двум сторонам) небольшого размера. Например: TDFN (Ramtron) и др. | Полезная информация: | 1. | Руководства по выбору ИМС энергонезависимых ОЗУ и контроллеров от фирм-производителей:
| | 2. | Общие ссылки: | | | | | | | | | |
