前言

每一次神舟載人飛船和SpaceX衛(wèi)星的發(fā)射升空，都能吸引眾多人關(guān)注,。對(duì)于這些神秘的航天飛信器,，你知道它們的信息都是怎么處理的嗎,？航天飛行器信息的處理依靠CPU/FPGA，而指令的執(zhí)行則憑借存儲(chǔ)器,。目前市場(chǎng)上大多數(shù)售賣(mài)主芯片的廠商都是靠存儲(chǔ)器起家的,。Excelpoint世健公司的工程師Wolfe Yu在此對(duì)存儲(chǔ)的分類(lèi)以及它們各自的優(yōu)劣進(jìn)行了科普介紹。

半導(dǎo)體存儲(chǔ)器功能分類(lèi)

半導(dǎo)體存儲(chǔ)器是一種能存儲(chǔ)大量二進(jìn)制信息的半導(dǎo)體器件,，半導(dǎo)體存儲(chǔ)器種類(lèi)很多,，一般按功能來(lái)分，可以分為只讀存儲(chǔ)器(ROM)和隨機(jī)存儲(chǔ)器(RAM),。

ROM結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,，斷電以后數(shù)據(jù)還保留著；重新上電,，讀出來(lái)的數(shù)據(jù)還能恢復(fù)成原來(lái)的樣子,。

圖1  ROM重新上電信息保留

RAM就不一樣了，每次上電之后,，上一次的信息無(wú)法保留,。

圖2  RAM重新上電信息丟失

只讀存儲(chǔ)器（ROM）

只讀存儲(chǔ)器主要分為掩膜存儲(chǔ)器、可編程存儲(chǔ)器（PROM）,、電可擦寫(xiě)可編程存儲(chǔ)器（EEPROM）和Flash等等,。

早期只讀存儲(chǔ)器一覽

掩膜只讀存儲(chǔ)器：定制產(chǎn)品，按照用戶要求來(lái)，內(nèi)部數(shù)據(jù)在出廠時(shí)就被設(shè)定好,，后續(xù)無(wú)法修改,。

可編程只讀存儲(chǔ)器：也叫“反熔絲”，比掩膜存儲(chǔ)器高級(jí)點(diǎn),，出廠時(shí)可以燒寫(xiě)一次,，但如果燒錯(cuò)了，只好作廢換下一個(gè),。

EEPROM（E2PROM）：為了重復(fù)利用,，這代產(chǎn)品首先研究了第一代通過(guò)紫外線擦除的EPROM產(chǎn)品。這代產(chǎn)品是將電荷通過(guò)浮柵雪崩注入MOS管（FAMOS）,、或者疊柵雪崩注入MOS管（SIMOS）,，通過(guò)雪崩效應(yīng)編程。這種產(chǎn)品擦出復(fù)雜,，而且擦寫(xiě)速度很慢,。

后來(lái)經(jīng)過(guò)改良升級(jí)，改采用浮柵隧道氧化層MOS管注入,，取名“EEPROM”,，也稱(chēng)作“E2PROM”。為了提高擦寫(xiě)可靠性,，并保護(hù)隧道氧化層,，EEPROM還會(huì)再加一個(gè)選通管。程序讀寫(xiě)時(shí),，主要通過(guò)字線和位線施加脈沖來(lái)實(shí)現(xiàn)操作,。

圖3  掩膜存儲(chǔ)器、反熔絲存儲(chǔ)器,、EEPROM一覽 

快閃存儲(chǔ)器（Flash Memory）

快閃存儲(chǔ)器Flash是在EPROM和EEPROM的基礎(chǔ)上做了一些改進(jìn),，它采用一種類(lèi)似于EPROM的單管疊柵結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)單元，只用一個(gè)單管來(lái)實(shí)現(xiàn),。

圖4  Flash存儲(chǔ)器單元結(jié)構(gòu)

快閃存儲(chǔ)器Flash的結(jié)構(gòu)與EPROM的SIMOS管類(lèi)似,，主要差異為浮柵與襯底氧化層的厚度不同，下圖是一個(gè)Flash的疊柵MOS管結(jié)構(gòu),。

圖5  普通Flash的疊柵MOS管結(jié)構(gòu)

快閃存儲(chǔ)器究竟是怎么保存數(shù)據(jù)的呢,？Flash擦寫(xiě)是通過(guò)改變浮柵上的電荷來(lái)實(shí)現(xiàn)的。寫(xiě)入時(shí),，漏極經(jīng)過(guò)位線接正壓,，并將襯底接地，在字線上加脈沖高壓（18~20V）,，源級(jí)和漏極之間會(huì)發(fā)生雪崩擊穿，部分電子會(huì)穿過(guò)氧化層到達(dá)浮柵，形成浮柵充電電荷,。

擦除即是將電子從浮柵移出來(lái)實(shí)現(xiàn),。擦除時(shí)，將字線接地,，同時(shí),，在P阱和N襯底上偏置一個(gè)正的脈沖高電壓（約20V）。這時(shí),，浮柵上面的電荷又會(huì)通過(guò)隧道效應(yīng)被移出,。

讀取Flash時(shí)，一般在字線加正常邏輯電平（一般3.3V或者5V）,，源級(jí)接地,，當(dāng)浮柵上存在電荷時(shí)，MOS管截止,，輸出1狀態(tài)信號(hào),。反之，浮柵上沒(méi)有電荷,，MOS管導(dǎo)通,，輸出0狀態(tài)信號(hào)。

圖6  Flash單元擦寫(xiě)示例 

Flash過(guò)擦除（Over Erase）

快閃存儲(chǔ)器的本質(zhì)是存儲(chǔ)陣列,，通過(guò)對(duì)浮柵上的電荷與字線邏輯電平作比較來(lái)判斷的,。以Nor Flash為例。按照正常的工作方法,，字線工作,，會(huì)加正常邏輯（3.3V或5V）；字線不工作,，通常是懸空或者輸入0V電平,。

正常情況，當(dāng)字線不工作時(shí),，無(wú)正常邏輯（3.3V或5V）施壓到柵極,，不論浮柵上有無(wú)電荷，MOS管都要求截止,。

如果Flash出現(xiàn)過(guò)擦除,，這時(shí)，浮柵上會(huì)表現(xiàn)為高壓,，輸出電壓值不確定,。如果電壓值剛好能使該單元的MOS管導(dǎo)通，此時(shí),，無(wú)論選擇哪個(gè)字線,，該位線的讀值都是0V,，從而影響其他單元的讀寫(xiě)，這被稱(chēng)為“單元泄露”,。因此,，為了讓Flash避免過(guò)擦除，對(duì)擦除的時(shí)候會(huì)非常小心,，從而讓擦除時(shí)間變長(zhǎng),。

圖7  Nor Flash操作示意圖

超級(jí)快閃存儲(chǔ)器（SuperFlash?）

前面提到，快閃存儲(chǔ)器的功能很強(qiáng)大,，但擦除速度太慢,。針對(duì)這一問(wèn)題，Wolfe Yu介紹了世健代理的Microchip旗下SST發(fā)明的一種全新超級(jí)快閃存儲(chǔ)SuperFlash?技術(shù),。

圖8  SuperFlash?閃存的疊柵MOS管結(jié)構(gòu)

在SuperFlash閃存中,，控制柵被分成兩部分，只覆蓋一部分浮柵,，它可以直接控制流入漏極的電流,。

過(guò)度擦除留下的正電荷會(huì)產(chǎn)生單元泄漏路徑，導(dǎo)致閃存無(wú)法正確讀取數(shù)據(jù),。對(duì)于SuperFlash閃存來(lái)說(shuō),，由于控制柵直接管理漏極邊緣，過(guò)度擦除無(wú)法使浮柵的泄漏路徑的達(dá)到漏極,。所以,，SuperFlash閃存不會(huì)考慮過(guò)度擦除問(wèn)題，相對(duì)來(lái)說(shuō),，擦除時(shí)間就會(huì)短很多,。

隨機(jī)存儲(chǔ)器（RAM）

隨機(jī)存儲(chǔ)器，可以隨時(shí)隨地讀寫(xiě)數(shù)據(jù),，讀寫(xiě)方便,，操作靈活。但是,，RAM存在數(shù)據(jù)易失性的缺點(diǎn),。RAM主要分為動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器DRAM和靜態(tài)存儲(chǔ)器SRAM兩大類(lèi)。

動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（DRAM）一覽

動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（Dynamic Random Access Memory,，DRAM）是一種半導(dǎo)體存儲(chǔ)器,，主要的作用原理是利用電容內(nèi)存儲(chǔ)電荷來(lái)代表一個(gè)二進(jìn)制比特（bit）。由于在現(xiàn)實(shí)中晶體管會(huì)有漏電電流的現(xiàn)象,，導(dǎo)致電容上所存儲(chǔ)的電荷數(shù)量無(wú)法判別數(shù)據(jù),，從而造成數(shù)據(jù)毀損，因此DRAM需要周期性地充電,。由于這種定時(shí)刷新的特性,，因此被稱(chēng)為“動(dòng)態(tài)”存儲(chǔ)器,。

圖9  DRAM結(jié)構(gòu)示意圖

靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（SRAM）

靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（Static Random Access Memory，SRAM）是在靜態(tài)觸發(fā)器的基礎(chǔ)上構(gòu)成,，靠觸發(fā)器的自保功能存儲(chǔ)數(shù)據(jù),。

SRAM的存儲(chǔ)單元用六只N溝道MOS管組成,，其中四個(gè)MOS管組成基本RS觸發(fā)器,，用于記憶二進(jìn)制代碼；另外兩個(gè)做門(mén)控開(kāi)關(guān),，控制觸發(fā)器和位線,。

圖10  SRAM結(jié)構(gòu)示意圖

RS觸發(fā)器，是最常見(jiàn)的基本數(shù)字鎖存單元,， FPGA的LUT的主要組成部分,，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作靈活,，RS觸發(fā)器有一個(gè)致命的缺陷,，容易產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)。

圖11 SRAM構(gòu)造RS觸發(fā)器數(shù)字邏輯示意圖

SRAM的單粒子翻轉(zhuǎn)事件（SEU）

RS觸發(fā)器有著非常好的鎖存性能,，但也有一個(gè)設(shè)計(jì)缺陷,。在實(shí)際應(yīng)用中，特別是在空間環(huán)境存在輻射的一些場(chǎng)景,，會(huì)出現(xiàn)帶電粒子穿過(guò)P管漏區(qū)有源區(qū),。此時(shí)，在粒子徑跡上電離產(chǎn)生大量電子空穴對(duì),，形成“瞬態(tài)電流”,。

圖12 單粒子翻轉(zhuǎn)事件充電原理

當(dāng)上管出現(xiàn)一次電離輻射，通過(guò)建模,，可以大致算出輸出電壓脈沖和累積電荷,、以及存儲(chǔ)電容存在一定關(guān)系。

假設(shè),，如果前級(jí)輸入是邏輯1,，輸出是邏輯0，存儲(chǔ)單元電容為100fF,，只要累積電荷達(dá)到0.65pC-0.7pC時(shí),，輸出電壓脈沖幅值>0.7V，就很容易判斷為輸出為高電平,。在輸出端電壓脈沖恢復(fù)到零電平之前,，通過(guò)反饋，將邏輯0寫(xiě)入輸入,，從而造成輸出端電壓固定在高電平,，變成邏輯1,，出現(xiàn)粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)。這也是我們常說(shuō)的數(shù)字電路的競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)現(xiàn)象,。

圖13  RS觸發(fā)器引起競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)現(xiàn)象

單粒子翻轉(zhuǎn)影響及加固

單粒子翻轉(zhuǎn)會(huì)造成存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的改寫(xiě),，特別是行業(yè)多數(shù)FPGA芯片，大多是基于SRAM型的產(chǎn)品,。一旦工作在惡劣環(huán)境下,，極有可能引發(fā)產(chǎn)品工作異常，最終導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)失靈,。

一般來(lái)說(shuō),，通過(guò)三模冗余、時(shí)間冗余和錯(cuò)誤檢測(cè)與糾正等電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)加固方法,，可對(duì)其進(jìn)行改善,。

不過(guò)最好的解決方法是采用Flash型FPGA。由于Flash型FPGA和基于鎖存器原理的SRAM FPGA的存儲(chǔ)原理完全不同,，所以很難發(fā)生通過(guò)簡(jiǎn)單的電離輻射改寫(xiě)邏輯單元的情況,，從而提高了可靠性。同時(shí),，F(xiàn)lash技術(shù)的產(chǎn)品的功耗也比SRAM的功耗低很多,。

目前，基于Flash工藝的FPGA主要是Microchip,。它擁有基于反熔絲和Flash技術(shù)的FPGA,，目前市場(chǎng)上主流產(chǎn)品是第三代SmartFusion? ProASIC?3/IGLOO?、第四代SmartFusion? 2/IGLOO2和第五代PolarFire/PolarFire SoC系列,。

其他存儲(chǔ)器（FRAM&EERAM）

相對(duì)于傳統(tǒng)的主流半導(dǎo)體存儲(chǔ)器,，非易失性只讀存儲(chǔ)器(ROM)和易失性隨機(jī)存儲(chǔ)器（RAM），還有一些速度較快,，而且非易失性存儲(chǔ)器,，比如鐵電存儲(chǔ)器（FRAM）、和非易失性隨機(jī)存儲(chǔ)器（EERAM）,。

鐵電存儲(chǔ)器（FRAM）

上文有提到,，EEPROM是通過(guò)電荷泵對(duì)浮柵操作來(lái)做數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，浮柵的擦寫(xiě)需要時(shí)間,，還會(huì)破壞浮柵單元,，存在次數(shù)限制。鐵電存儲(chǔ)器（FRAM）是采用一種特殊工藝的非易失性的存儲(chǔ)器,，是采用人工合成的鉛鋯鈦(PZT) 材料形成存儲(chǔ)器結(jié)晶體,。

當(dāng)一個(gè)電場(chǎng)被加到鐵電晶體時(shí)，中心原子順著電場(chǎng)的方向在晶體里移動(dòng),。當(dāng)原子移動(dòng)時(shí),，它通過(guò)一個(gè)能量壁壘,，從而引起電荷擊穿。內(nèi)部電路感應(yīng)到電荷擊穿并設(shè)置存儲(chǔ)器,。移去電場(chǎng)后,，中心原子保持不動(dòng)，存儲(chǔ)器的狀態(tài)也得以保存,。鐵電存儲(chǔ)器不需要定時(shí)更新,，掉電后數(shù)據(jù)能夠繼續(xù)保存，速度快而且不容易寫(xiě)壞,。

鐵電存儲(chǔ)器是個(gè)好東西,，不過(guò)有一個(gè)致命的弱點(diǎn)，貴,。用在低成本的工業(yè)和消費(fèi)場(chǎng)合性?xún)r(jià)比不高。

圖14  鐵電存儲(chǔ)器原理

非易失性隨機(jī)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器（EERAM）

除了上文提到的FRAM,，還有一種新型非易失性隨機(jī)存儲(chǔ)器（EERAM）,，這個(gè)產(chǎn)品是Microchip的獨(dú)家秘籍。

圖15  非易失性隨機(jī)存儲(chǔ)器架構(gòu)

EERAM的工作原理非常簡(jiǎn)單,，靈感來(lái)源于采用后備電池供電的SRAM,，它的本質(zhì)就是不需要外部電池，而是通過(guò)一個(gè)很小的外部電容器,，SRAM和EEPROM之間通過(guò)IC監(jiān)測(cè)共集極的電壓,，一旦電源電壓較低，就通過(guò)電容供電,，把SRAM的數(shù)據(jù)搬到EEPROM里面,，防止信號(hào)丟失。

對(duì)于需要不斷更新的存儲(chǔ)數(shù)據(jù),，EERAM采用了一種特殊的工作方式,，在監(jiān)測(cè)到供電電壓異常的時(shí)候，通過(guò)Vcap作為備用電源,，把數(shù)據(jù)從SRAM轉(zhuǎn)移到EEPROM,，自動(dòng)完成數(shù)據(jù)的安全轉(zhuǎn)存。

當(dāng)供電重新恢復(fù)正常,，EEPROM的數(shù)據(jù)又自動(dòng)導(dǎo)出到SRAM,。而且，你也可以手動(dòng)刷新數(shù)據(jù)到EEPROM,。

圖16  非易失性隨機(jī)存儲(chǔ)器用電容為SRAM轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)提供電源

EERAM的優(yōu)勢(shì)包括： 自動(dòng)通過(guò)斷電可靠地保存數(shù)據(jù),、無(wú)限次寫(xiě)入數(shù)據(jù)、 低成本方案和 接近零時(shí)間的間隔寫(xiě)入,。這個(gè)器件性能較高,，而且價(jià)格也沒(méi)有鐵電那么昂貴,，非常適合防數(shù)據(jù)丟失，成本敏感的客戶,。

圖17  非易失性隨機(jī)存儲(chǔ)器工作原理

Microchip基于先進(jìn)存儲(chǔ)技術(shù)一攬子解決方案

隨著5G通信等市場(chǎng)的快速爆發(fā),，越來(lái)越多的定制產(chǎn)品層出不窮。由于存儲(chǔ)器大多都要暴露在十分苛刻的環(huán)境中,，市場(chǎng)對(duì)萬(wàn)能芯片F(xiàn)PGA的需求越來(lái)越大,。Excepoint世健擁有專(zhuān)業(yè)的技術(shù)團(tuán)隊(duì)，其代理的Microchip 的FLASH型FPGA能有效抵抗輻射從而提高系統(tǒng)的可靠性,，快速的SuperFlash和創(chuàng)新的EERAM技術(shù)的存儲(chǔ)器等解決方案也都非常有特色,，能幫助客戶降低存儲(chǔ)成本，為客戶的系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求提供更多選擇,。

關(guān)于世健——亞太區(qū)領(lǐng)先的元器件授權(quán)代理商

世健是完整解決方案的供應(yīng)商,，為亞洲電子廠商包括原設(shè)備生產(chǎn)商(OEM)、原設(shè)計(jì)生產(chǎn)商(ODM)和電子制造服務(wù)提供商(EMS)提供優(yōu)質(zhì)的元器件,、工程設(shè)計(jì)及供應(yīng)鏈管理服務(wù),。

世健與供應(yīng)商及電子廠商緊密協(xié)作，為新的科技與趨勢(shì)作出定位,，并幫助客戶把這些最先進(jìn)的科技揉合于他們的產(chǎn)品當(dāng)中,。集團(tuán)分別在新加坡、中國(guó)及越南設(shè)有研發(fā)中心,，專(zhuān)業(yè)的研發(fā)團(tuán)隊(duì)不斷創(chuàng)造新的解決方案,，幫助客戶提高成本效益并縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。世健研發(fā)的完整解決方案及參考設(shè)計(jì)可應(yīng)用于工業(yè),、無(wú)線通信及消費(fèi)電子等領(lǐng)域,。

世健是新加坡的主板上市公司，總部設(shè)于新加坡,，擁有約650名員工,，業(yè)務(wù)范圍已擴(kuò)展至亞太區(qū)40多個(gè)城市和地區(qū)，遍及新加坡,、馬來(lái)西亞,、泰國(guó)、越南,、中國(guó),、印度、印度尼西亞,、菲律賓及澳大利亞等十多個(gè)國(guó)家,。世健集團(tuán)在2020年的年?duì)I業(yè)額超過(guò)11億美元。1993年，世健在香港設(shè)立區(qū)域總部——世健系統(tǒng)（香港）有限公司,，正式開(kāi)始發(fā)展中國(guó)業(yè)務(wù),。目前，世健在中國(guó)擁有十多家分公司和辦事處,，遍及中國(guó)主要大中型城市,。憑借專(zhuān)業(yè)的研發(fā)團(tuán)隊(duì)、頂尖的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用支持以及豐富的市場(chǎng)經(jīng)驗(yàn),，世健在中國(guó)業(yè)內(nèi)享有領(lǐng)先地位,。