前言

每一次神舟載人飛船和SpaceX衛星的發射升空，都能吸引眾(zhong) 多人關(guan) 注。對於(yu) 這些神秘的航天飛信器，你知道它們(men) 的信息都是怎麽(me) 處理的嗎？航天飛行器信息的處理依靠CPU/FPGA，而指令的執行則憑借存儲(chu) 器。目前市場上大多數售賣主芯片的廠商都是靠存儲(chu) 器起家的。Excelpoint世健公司的工程師Wolfe Yu在此對存儲(chu) 的分類以及它們(men) 各自的優(you) 劣進行了科普介紹。

半導體(ti) 存儲(chu) 器功能分類

半導體(ti) 存儲(chu) 器是一種能存儲(chu) 大量二進製信息的半導體(ti) 器件，半導體(ti) 存儲(chu) 器種類很多，一般按功能來分，可以分為(wei) 隻讀存儲(chu) 器(ROM)和隨機存儲(chu) 器(RAM)。

ROM結構簡單，斷電以後數據還保留著；重新上電，讀出來的數據還能恢複成原來的樣子。

圖1  ROM重新上電信息保留

RAM就不一樣了，每次上電之後，上一次的信息無法保留。

圖2  RAM重新上電信息丟(diu) 失

隻讀存儲(chu) 器（ROM）

隻讀存儲(chu) 器主要分為(wei) 掩膜存儲(chu) 器、可編程存儲(chu) 器（PROM）、電可擦寫(xie) 可編程存儲(chu) 器（EEPROM）和Flash等等。

早期隻讀存儲(chu) 器一覽

掩膜隻讀存儲(chu) 器：定製產(chan) 品，按照用戶要求來，內(nei) 部數據在出廠時就被設定好，後續無法修改。

可編程隻讀存儲(chu) 器：也叫“反熔絲(si) ”，比掩膜存儲(chu) 器高級點，出廠時可以燒寫(xie) 一次，但如果燒錯了，隻好作廢換下一個(ge) 。

EEPROM（E2PROM）：為(wei) 了重複利用，這代產(chan) 品首先研究了第一代通過紫外線擦除的EPROM產(chan) 品。這代產(chan) 品是將電荷通過浮柵雪崩注入MOS管（FAMOS）、或者疊柵雪崩注入MOS管（SIMOS），通過雪崩效應編程。這種產(chan) 品擦出複雜，而且擦寫(xie) 速度很慢。

後來經過改良升級，改采用浮柵隧道氧化層MOS管注入，取名“EEPROM”，也稱作“E2PROM”。為(wei) 了提高擦寫(xie) 可靠性，並保護隧道氧化層，EEPROM還會(hui) 再加一個(ge) 選通管。程序讀寫(xie) 時，主要通過字線和位線施加脈衝(chong) 來實現操作。

圖3  掩膜存儲(chu) 器、反熔絲(si) 存儲(chu) 器、EEPROM一覽

快閃存儲(chu) 器（Flash Memory）

快閃存儲(chu) 器Flash是在EPROM和EEPROM的基礎上做了一些改進，它采用一種類似於(yu) EPROM的單管疊柵結構的存儲(chu) 單元，隻用一個(ge) 單管來實現。

圖4  Flash存儲(chu) 器單元結構

快閃存儲(chu) 器Flash的結構與(yu) EPROM的SIMOS管類似，主要差異為(wei) 浮柵與(yu) 襯底氧化層的厚度不同，下圖是一個(ge) Flash的疊柵MOS管結構。

圖5  普通Flash的疊柵MOS管結構

快閃存儲(chu) 器究竟是怎麽(me) 保存數據的呢？Flash擦寫(xie) 是通過改變浮柵上的電荷來實現的。寫(xie) 入時，漏極經過位線接正壓，並將襯底接地，在字線上加脈衝(chong) 高壓（18~20V），源級和漏極之間會(hui) 發生雪崩擊穿，部分電子會(hui) 穿過氧化層到達浮柵，形成浮柵充電電荷。

擦除即是將電子從(cong) 浮柵移出來實現。擦除時，將字線接地，同時，在P阱和N襯底上偏置一個(ge) 正的脈衝(chong) 高電壓（約20V）。這時，浮柵上麵的電荷又會(hui) 通過隧道效應被移出。

讀取Flash時，一般在字線加正常邏輯電平（一般3.3V或者5V），源級接地，當浮柵上存在電荷時，MOS管截止，輸出1狀態信號。反之，浮柵上沒有電荷，MOS管導通，輸出0狀態信號。

圖6  Flash單元擦寫(xie) 示例

Flash過擦除（Over Erase）

快閃存儲(chu) 器的本質是存儲(chu) 陣列，通過對浮柵上的電荷與(yu) 字線邏輯電平作比較來判斷的。以Nor Flash為(wei) 例。按照正常的工作方法，字線工作，會(hui) 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，當字線不工作時，無正常邏輯（3.3V或5V）施壓到柵極，不論浮柵上有無電荷，MOS管都要求截止。

如果Flash出現過擦除，這時，浮柵上會(hui) 表現為(wei) 高壓，輸出電壓值不確定。如果電壓值剛好能使該單元的MOS管導通，此時，無論選擇哪個(ge) 字線，該位線的讀值都是0V，從(cong) 而影響其他單元的讀寫(xie) ，這被稱為(wei) “單元泄露”。因此，為(wei) 了讓Flash避免過擦除，對擦除的時候會(hui) 非常小心，從(cong) 而讓擦除時間變長。

圖7  Nor Flash操作示意圖

超級快閃存儲(chu) 器（SuperFlash^®）

前麵提到，快閃存儲(chu) 器的功能很強大，但擦除速度太慢。針對這一問題，Wolfe Yu介紹了世健代理的Microchip旗下SST發明的一種全新超級快閃存儲(chu) SuperFlash^®技術。

圖8  SuperFlash^®閃存的疊柵MOS管結構

在SuperFlash閃存中，控製柵被分成兩(liang) 部分，隻覆蓋一部分浮柵，它可以直接控製流入漏極的電流。

過度擦除留下的正電荷會(hui) 產(chan) 生單元泄漏路徑，導致閃存無法正確讀取數據。對於(yu) SuperFlash閃存來說，由於(yu) 控製柵直接管理漏極邊緣，過度擦除無法使浮柵的泄漏路徑的達到漏極。所以，SuperFlash閃存不會(hui) 考慮過度擦除問題，相對來說，擦除時間就會(hui) 短很多。

隨機存儲(chu) 器（RAM）

隨機存儲(chu) 器，可以隨時隨地讀寫(xie) 數據，讀寫(xie) 方便，操作靈活。但是，RAM存在數據易失性的缺點。RAM主要分為(wei) 動態隨機存儲(chu) 器DRAM和靜態存儲(chu) 器SRAM兩(liang) 大類。

動態隨機存儲(chu) 器（DRAM）一覽

動態隨機存取存儲(chu) 器（Dynamic Random Access Memory，DRAM）是一種半導體(ti) 存儲(chu) 器，主要的作用原理是利用電容內(nei) 存儲(chu) 電荷來代表一個(ge) 二進製比特（bit）。由於(yu) 在現實中晶體(ti) 管會(hui) 有漏電電流的現象，導致電容上所存儲(chu) 的電荷數量無法判別數據，從(cong) 而造成數據毀損，因此DRAM需要周期性地充電。由於(yu) 這種定時刷新的特性，因此被稱為(wei) “動態”存儲(chu) 器。

圖9  DRAM結構示意圖

靜態隨機存儲(chu) 器（SRAM）

靜態隨機存取存儲(chu) 器（Static Random Access Memory，SRAM）是在靜態觸發器的基礎上構成，靠觸發器的自保功能存儲(chu) 數據。

SRAM的存儲(chu) 單元用六隻N溝道MOS管組成，其中四個(ge) MOS管組成基本RS觸發器，用於(yu) 記憶二進製代碼；另外兩(liang) 個(ge) 做門控開關(guan) ，控製觸發器和位線。

圖10  SRAM結構示意圖

RS觸發器，是最常見的基本數字鎖存單元， FPGA的LUT的主要組成部分，結構簡單，操作靈活，RS觸發器有一個(ge) 致命的缺陷，容易產(chan) 生競爭(zheng) 冒險。

圖11 SRAM構造RS觸發器數字邏輯示意圖

SRAM的單粒子翻轉事件（SEU）

RS觸發器有著非常好的鎖存性能，但也有一個(ge) 設計缺陷。在實際應用中，特別是在空間環境存在輻射的一些場景，會(hui) 出現帶電粒子穿過P管漏區有源區。此時，在粒子徑跡上電離產(chan) 生大量電子空穴對，形成“瞬態電流”。

圖12 單粒子翻轉事件充電原理

當上管出現一次電離輻射，通過建模，可以大致算出輸出電壓脈衝(chong) 和累積電荷、以及存儲(chu) 電容存在一定關(guan) 係。

假設，如果前級輸入是邏輯1，輸出是邏輯0，存儲(chu) 單元電容為(wei) 100fF，隻要累積電荷達到0.65pC-0.7pC時，輸出電壓脈衝(chong) 幅值>0.7V，就很容易判斷為(wei) 輸出為(wei) 高電平。在輸出端電壓脈衝(chong) 恢複到零電平之前，通過反饋，將邏輯0寫(xie) 入輸入，從(cong) 而造成輸出端電壓固定在高電平，變成邏輯1，出現粒子翻轉效應。這也是我們(men) 常說的數字電路的競爭(zheng) 冒險現象。

圖13  RS觸發器引起競爭(zheng) 冒險現象

單粒子翻轉影響及加固

單粒子翻轉會(hui) 造成存儲(chu) 數據的改寫(xie) ，特別是行業(ye) 多數FPGA芯片，大多是基於(yu) SRAM型的產(chan) 品。一旦工作在惡劣環境下，極有可能引發產(chan) 品工作異常，最終導致整個(ge) 係統失靈。

一般來說，通過三模冗餘(yu) 、時間冗餘(yu) 和錯誤檢測與(yu) 糾正等電路結構設計加固方法，可對其進行改善。

不過最好的解決(jue) 方法是采用Flash型FPGA。由於(yu) Flash型FPGA和基於(yu) 鎖存器原理的SRAM FPGA的存儲(chu) 原理完全不同，所以很難發生通過簡單的電離輻射改寫(xie) 邏輯單元的情況，從(cong) 而提高了可靠性。同時，Flash技術的產(chan) 品的功耗也比SRAM的功耗低很多。

目前，基於(yu) Flash工藝的FPGA主要是Microchip。它擁有基於(yu) 反熔絲(si) 和Flash技術的FPGA，目前市場上主流產(chan) 品是第三代SmartFusion^®ProASIC®3/IGLOO®、第四代SmartFusion®2/IGLOO2和第五代PolarFire/PolarFire SoC係列。

其他存儲(chu) 器（FRAM&EERAM）

相對於(yu) 傳(chuan) 統的主流半導體(ti) 存儲(chu) 器，非易失性隻讀存儲(chu) 器(ROM)和易失性隨機存儲(chu) 器（RAM），還有一些速度較快，而且非易失性存儲(chu) 器，比如鐵電存儲(chu) 器（FRAM）、和非易失性隨機存儲(chu) 器（EERAM）。

鐵電存儲(chu) 器（FRAM）

上文有提到，EEPROM是通過電荷泵對浮柵操作來做數據存儲(chu) ，浮柵的擦寫(xie) 需要時間，還會(hui) 破壞浮柵單元，存在次數限製。鐵電存儲(chu) 器（FRAM）是采用一種特殊工藝的非易失性的存儲(chu) 器，是采用人工合成的鉛鋯鈦(PZT) 材料形成存儲(chu) 器結晶體(ti) 。

當一個(ge) 電場被加到鐵電晶體(ti) 時，中心原子順著電場的方向在晶體(ti) 裏移動。當原子移動時，它通過一個(ge) 能量壁壘，從(cong) 而引起電荷擊穿。內(nei) 部電路感應到電荷擊穿並設置存儲(chu) 器。移去電場後，中心原子保持不動，存儲(chu) 器的狀態也得以保存。鐵電存儲(chu) 器不需要定時更新，掉電後數據能夠繼續保存，速度快而且不容易寫(xie) 壞。

鐵電存儲(chu) 器是個(ge) 好東(dong) 西，不過有一個(ge) 致命的弱點，貴。用在低成本的工業(ye) 和消費場合性價(jia) 比不高。

圖14  鐵電存儲(chu) 器原理

非易失性隨機存儲(chu) 器存儲(chu) 器（EERAM）

除了上文提到的FRAM，還有一種新型非易失性隨機存儲(chu) 器（EERAM），這個(ge) 產(chan) 品是Microchip的獨家秘籍。

圖15  非易失性隨機存儲(chu) 器架構

EERAM的工作原理非常簡單，靈感來源於(yu) 采用後備電池供電的SRAM，它的本質就是不需要外部電池，而是通過一個(ge) 很小的外部電容器，SRAM和EEPROM之間通過IC監測共集極的電壓，一旦電源電壓較低，就通過電容供電，把SRAM的數據搬到EEPROM裏麵，防止信號丟(diu) 失。

對於(yu) 需要不斷更新的存儲(chu) 數據，EERAM采用了一種特殊的工作方式，在監測到供電電壓異常的時候，通過Vcap作為(wei) 備用電源，把數據從(cong) SRAM轉移到EEPROM，自動完成數據的安全轉存。

當供電重新恢複正常，EEPROM的數據又自動導出到SRAM。而且，你也可以手動刷新數據到EEPROM。

圖16  非易失性隨機存儲(chu) 器用電容為(wei) SRAM轉移數據提供電源

EERAM的優(you) 勢包括：自動通過斷電可靠地保存數據、無限次寫(xie) 入數據、 低成本方案和 接近零時間的間隔寫(xie) 入。這個(ge) 器件性能較高，而且價(jia) 格也沒有鐵電那麽(me) 昂貴，非常適合防數據丟(diu) 失，成本敏感的客戶。

圖17  非易失性隨機存儲(chu) 器工作原理

Microchip基於(yu) 先進存儲(chu) 技術一攬子解決(jue) 方案

隨著5G通信等市場的快速爆發，越來越多的定製產(chan) 品層出不窮。由於(yu) 存儲(chu) 器大多都要暴露在十分苛刻的環境中，市場對萬(wan) 能芯片FPGA的需求越來越大。Excepoint世健擁有專(zhuan) 業(ye) 的技術團隊，其代理的Microchip 的FLASH型FPGA能有效抵抗輻射從(cong) 而提高係統的可靠性，快速的SuperFlash和創新的EERAM技術的存儲(chu) 器等解決(jue) 方案也都非常有特色，能幫助客戶降低存儲(chu) 成本，為(wei) 客戶的係統設計需求提供更多選擇。

關(guan) 於(yu) 世健——亞(ya) 太區領先的元器件授權代理商

世健是完整解決(jue) 方案的供應商，為(wei) 亞(ya) 洲電子廠商包括原設備生產(chan) 商(OEM)、原設計生產(chan) 商(ODM)和電子製造服務提供商(EMS)提供優(you) 質的元器件、工程設計及供應鏈管理服務。

世健與(yu) 供應商及電子廠商緊密協作，為(wei) 新的科技與(yu) 趨勢作出定位，並幫助客戶把這些最先進的科技揉合於(yu) 他們(men) 的產(chan) 品當中。集團分別在新加坡、中國及越南設有研發中心，專(zhuan) 業(ye) 的研發團隊不斷創造新的解決(jue) 方案，幫助客戶提高成本效益並縮短產(chan) 品上市時間。世健研發的完整解決(jue) 方案及參考設計可應用於(yu) 工業(ye) 、無線通信及消費電子等領域。

世健是新加坡的主板上市公司，總部設於(yu) 新加坡，擁有約650名員工，業(ye) 務範圍已擴展至亞(ya) 太區40多個(ge) 城市和地區，遍及新加坡、馬來西亞(ya) 、泰國、越南、中國、印度、印度尼西亞(ya) 、菲律賓及澳大利亞(ya) 等十多個(ge) 國家。世健集團在2020年的年營業(ye) 額超過11億(yi) 美元。1993年，世健在香港設立區域總部——世健係統（香港）有限公司，正式開始發展中國業(ye) 務。目前，世健在中國擁有十多家分公司和辦事處，遍及中國主要大中型城市。憑借專(zhuan) 業(ye) 的研發團隊、頂尖的現場應用支持以及豐(feng) 富的市場經驗，世健在中國業(ye) 內(nei) 享有領先地位。