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)行則憑借存儲器,。目前市場上大多數(shù)售賣主芯片的廠商都是靠存儲器起家的。Excelpoint世健公司的工程師Wolfe Yu在此對存儲的分類以及它們各自的優(yōu)劣進行了科普介紹,。

半導(dǎo)體存儲器功能分類

半導(dǎo)體存儲器是一種能存儲大量二進制信息的半導(dǎo)體器件,，半導(dǎo)體存儲器種類很多，一般按功能來分,，可以分為只讀存儲器(ROM)和隨機存儲器(RAM),。

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

圖1  ROM重新上電信息保留

RAM就不一樣了,，每次上電之后,，上一次的信息無法保留。

圖2  RAM重新上電信息丟失

只讀存儲器（ROM）

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

早期只讀存儲器一覽

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

可編程只讀存儲器：也叫“反熔絲”,，比掩膜存儲器高級點，出廠時可以燒寫一次,，但如果燒錯了,，只好作廢換下一個。

EEPROM（E2PROM）：為了重復(fù)利用,，這代產(chǎn)品首先研究了第一代通過紫外線擦除的EPROM產(chǎn)品,。這代產(chǎn)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(yīng)編程,。這種產(chǎn)品擦出復(fù)雜，而且擦寫速度很慢,。

后來經(jīng)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”,。為了提高擦寫可靠性，并保護隧道氧化層,，EEPROM還會再加一個選通管,。程序讀寫時，主要通過字線和位線施加脈沖來實現(xiàn)操作,。

圖3  掩膜存儲器,、反熔絲存儲器、EEPROM一覽 

快閃存儲器（Flash Memory）

快閃存儲器Flash是在EPROM和EEPROM的基礎(chǔ)上做了一些改進,，它采用一種類似于EPROM的單管疊柵結(jié)構(gòu)的存儲單元,，只用一個單管來實現(xiàn)。

圖4  Flash存儲器單元結(jié)構(gòu)

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

圖5  普通Flash的疊柵MOS管結(jié)構(gòu)

快閃存儲器究竟是怎么保存數(shù)據(jù)的呢,？Flash擦寫是通過改變浮柵上的電荷來實現(xiàn)的,。寫入時,，漏極經(jīng)過位線接正壓，并將襯底接地,，在字線上加脈沖高壓（18~20V）,，源級和漏極之間會發(fā)生雪崩擊穿，部分電子會穿過氧化層到達(dá)浮柵,，形成浮柵充電電荷,。

擦除即是將電子從浮柵移出來實現(xiàn)。擦除時,，將字線接地,，同時，在P阱和N襯底上偏置一個正的脈沖高電壓（約20V）,。這時,，浮柵上面的電荷又會通過隧道效應(yīng)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(dāng)浮柵上存在電荷時,，MOS管截止,，輸出1狀態(tài)信號。反之,，浮柵上沒有電荷,，MOS管導(dǎo)通，輸出0狀態(tài)信號,。

圖6  Flash單元擦寫示例 

Flash過擦除（Over Erase）

快閃存儲器的本質(zhì)是存儲陣列,，通過對浮柵上的電荷與字線邏輯電平作比較來判斷的。以Nor Flash為例,。按照正常的工作方法,，字線工作，會加正常邏輯（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,，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(xiàn)過擦除，這時，浮柵上會表現(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,，無論選擇哪個字線，該位線的讀值都是0V,，從而影響其他單元的讀寫,，這被稱為“單元泄露”。因此,，為了讓Flash避免過擦除,，對擦除的時候會非常小心，從而讓擦除時間變長,。

圖7  Nor Flash操作示意圖

超級快閃存儲器（SuperFlash?）

前面提到,，快閃存儲器的功能很強大，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(fā)明的一種全新超級快閃存儲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,。

過度擦除留下的正電荷會產(chǎn)生單元泄漏路徑,，導(dǎo)致閃存無法正確讀取數(shù)據(jù)。對于SuperFlash閃存來說,，由于控制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(dá)到漏極。所以,，SuperFlash閃存不會考慮過度擦除問題,，相對來說，擦除時間就會短很多,。

隨機存儲器（RAM）

隨機存儲器,，可以隨時隨地讀寫數(shù)據(jù)，讀寫方便,，操作靈活,。但是，RAM存在數(shù)據(jù)易失性的缺點,。RAM主要分為動態(tài)隨機存儲器DRAM和靜態(tài)存儲器SRAM兩大類,。

動態(tài)隨機存儲器（DRAM）一覽

動態(tài)隨機存取存儲器（Dynamic Random Access Memory，DRAM）是一種半導(dǎo)體存儲器，主要的作用原理是利用電容內(nèi)存儲電荷來代表一個二進制比特（bit）,。由于在現(xiàn)實中晶體管會有漏電電流的現(xiàn)象,，導(dǎo)致電容上所存儲的電荷數(shù)量無法判別數(shù)據(jù)，從而造成數(shù)據(jù)毀損,，因此DRAM需要周期性地充電,。由于這種定時刷新的特性，因此被稱為“動態(tài)”存儲器,。

圖9  DRAM結(jié)構(gòu)示意圖

靜態(tài)隨機存儲器（SRAM）

靜態(tài)隨機存取存儲器（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)器的自保功能存儲數(shù)據(jù),。

SRAM的存儲單元用六只N溝道MOS管組成,，其中四個MOS管組成基本RS觸發(fā)器，用于記憶二進制代碼,；另外兩個做門控開關(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)簡單,，操作靈活,，RS觸發(fā)器有一個致命的缺陷，容易產(chǎn)生競爭冒險,。

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,，但也有一個設(shè)計缺陷。在實際應(yīng)用中,，特別是在空間環(huán)境存在輻射的一些場景,，會出現(xiàn)帶電粒子穿過P管漏區(qū)有源區(qū)。此時,，在粒子徑跡上電離產(chǎn)生大量電子空穴對,，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,，通過建模,，可以大致算出輸出電壓脈沖和累積電荷、以及存儲電容存在一定關(guān)系,。

假設(shè),，如果前級輸入是邏輯1，輸出是邏輯0,，存儲單元電容為100fF,，只要累積電荷達(dá)到0.65pC-0.7pC時，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,，通過反饋，將邏輯0寫入輸入,，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),。這也是我們常說的數(shù)字電路的競爭冒險現(xiàn)象,。

圖13  RS觸發(fā)器引起競爭冒險現(xiàn)象

單粒子翻轉(zhuǎn)影響及加固

單粒子翻轉(zhuǎn)會造成存儲數(shù)據(jù)的改寫，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)致整個系統(tǒng)失靈。

一般來說,，通過三模冗余,、時間冗余和錯誤檢測與糾正等電路結(jié)構(gòu)設(shè)計加固方法，可對其進行改善,。

不過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的存儲原理完全不同，所以很難發(fā)生通過簡單的電離輻射改寫邏輯單元的情況,，從而提高了可靠性,。同時，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。

其他存儲器（FRAM&EERAM）

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

鐵電存儲器（FRAM）

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

當(dāng)一個電場被加到鐵電晶體時,，中心原子順著電場的方向在晶體里移動,。當(dāng)原子移動時，它通過一個能量壁壘,，從而引起電荷擊穿,。內(nèi)部電路感應(yīng)到電荷擊穿并設(shè)置存儲器。移去電場后,，中心原子保持不動,，存儲器的狀態(tài)也得以保存。鐵電存儲器不需要定時更新,，掉電后數(shù)據(jù)能夠繼續(xù)保存,，速度快而且不容易寫壞。

鐵電存儲器是個好東西,，不過有一個致命的弱點,，貴。用在低成本的工業(yè)和消費場合性價比不高,。

圖14  鐵電存儲器原理

非易失性隨機存儲器存儲器（EERAM）

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

圖15  非易失性隨機存儲器架構(gòu)

EERAM的工作原理非常簡單,，靈感來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,，而是通過一個很小的外部電容器,，SRAM和EEPROM之間通過IC監(jiān)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(shù)據(jù)搬到EEPROM里面，防止信號丟失,。

對于需要不斷更新的存儲數(shù)據(jù),，EERAM采用了一種特殊的工作方式，在監(jiān)測到供電電壓異常的時候,，通過Vcap作為備用電源,，把數(shù)據(jù)從SRAM轉(zhuǎn)移到EEPROM，自動完成數(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)又自動導(dǎo)出到SRAM,。而且，你也可以手動刷新數(shù)據(jù)到EEPROM,。

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

EERAM的優(yōu)勢包括： 自動通過斷電可靠地保存數(shù)據(jù),、無限次寫入數(shù)據(jù)、 低成本方案和 接近零時間的間隔寫入,。這個器件性能較高,，而且價格也沒有鐵電那么昂貴，非常適合防數(shù)據(jù)丟失,，成本敏感的客戶,。

圖17  非易失性隨機存儲器工作原理

Microchip基于先進存儲技術(shù)一攬子解決方案

隨著5G通信等市場的快速爆發(fā)，越來越多的定制產(chǎn)品層出不窮,。由于存儲器大多都要暴露在十分苛刻的環(huán)境中,，市場對萬能芯片F(xiàn)PGA的需求越來越大。Excepoint世健擁有專業(yè)的技術(shù)團隊,，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)的存儲器等解決方案也都非常有特色，能幫助客戶降低存儲成本,，為客戶的系統(tǒng)設(shè)計需求提供更多選擇。

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,，為新的科技與趨勢作出定位，并幫助客戶把這些最先進的科技揉合于他們的產(chǎn)品當(dāng)中,。集團分別在新加坡,、中國及越南設(shè)有研發(fā)中心，專業(yè)的研發(fā)團隊不斷創(chuàng)造新的解決方案,，幫助客戶提高成本效益并縮短產(chǎn)品上市時間,。世健研發(fā)的完整解決方案及參考設(shè)計可應(yīng)用于工業(yè)、無線通信及消費電子等領(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)范圍已擴展至亞太區(qū)40多個城市和地區(qū),，遍及新加坡、馬來西亞,、泰國,、越南,、中國、印度,、印度尼西亞,、菲律賓及澳大利亞等十多個國家。世健集團在2020年的年營業(yè)額超過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，正式開始發(fā)展中國業(yè)務(wù),。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,。憑借專業(yè)的研發(fā)團隊,、頂尖的現(xiàn)場應(yīng)用支持以及豐富的市場經(jīng)驗，世健在中國業(yè)內(nèi)享有領(lǐng)先地位,。