广告

主控芯片CPU/FPGA存储及单粒子翻转科普

2022-01-25 10:46:54 Excelpoint 阅读:
每一次神舟载人飞船和SpaceX卫星的发射升空,都能吸引众多人关注。对于这些神秘的航天飞信器,你知道它们的信息都是怎么处理的吗?航天飞行器信息的处理依靠CPU/FPGA,而指令的执行则凭借存储器。目前市场上大多数售卖主芯片的厂商都是靠存储器起家的。Excelpoint世健公司的工程师Wolfe Yu在此对存储的分类以及它们各自的优劣进行了科普介绍。

半导体存储器功能分类

半导体存储器是一种能存储大量二进制信息的半导体器件,半导体存储器种类很多,一般按功能来分,可以分为只读存储器(ROM)和随机存储器(RAM)。dhOednc

ROM结构简单,断电以后数据还保留着;重新上电,读出来的数据还能恢复成原来的样子。dhOednc

dhOednc

图1  ROM重新上电信息保留dhOednc

RAM就不一样了,每次上电之后,上一次的信息无法保留。dhOednc

dhOednc

图2  RAM重新上电信息丢失dhOednc

只读存储器(ROM)

 只读存储器主要分为掩膜存储器、可编程存储器(PROM)、电可擦写可编程存储器(EEPROM)和Flash等等。dhOednc

早期只读存储器一览

掩膜只读存储器:定制产品,按照用户要求来,内部数据在出厂时就被设定好,后续无法修改。dhOednc

可编程只读存储器:也叫“反熔丝”,比掩膜存储器高级点,出厂时可以烧写一次,但如果烧错了,只好作废换下一个。dhOednc

EEPROM(E2PROM):为了重复利用,这代产品首先研究了第一代通过紫外线擦除的EPROM产品。这代产品是将电荷通过浮栅雪崩注入MOS管(FAMOS)、或者叠栅雪崩注入MOS管(SIMOS),通过雪崩效应编程。这种产品擦出复杂,而且擦写速度很慢。dhOednc

后来经过改良升级,改采用浮栅隧道氧化层MOS管注入,取名“EEPROM”,也称作“E2PROM”。为了提高擦写可靠性,并保护隧道氧化层,EEPROM还会再加一个选通管。程序读写时,主要通过字线和位线施加脉冲来实现操作。dhOednc

 dhOednc

图3  掩膜存储器、反熔丝存储器、EEPROM一览dhOednc

快闪存储器(Flash Memory)

快闪存储器Flash是在EPROM和EEPROM的基础上做了一些改进,它采用一种类似于EPROM的单管叠栅结构的存储单元,只用一个单管来实现。dhOednc

dhOednc

图4  Flash存储器单元结构dhOednc

快闪存储器Flash的结构与EPROM的SIMOS管类似,主要差异为浮栅与衬底氧化层的厚度不同,下图是一个Flash的叠栅MOS管结构。dhOednc

dhOednc

图5  普通Flash的叠栅MOS管结构dhOednc

快闪存储器究竟是怎么保存数据的呢?Flash擦写是通过改变浮栅上的电荷来实现的。写入时,漏极经过位线接正压,并将衬底接地,在字线上加脉冲高压(18~20V),源级和漏极之间会发生雪崩击穿,部分电子会穿过氧化层到达浮栅,形成浮栅充电电荷。dhOednc

擦除即是将电子从浮栅移出来实现。擦除时,将字线接地,同时,在P阱和N衬底上偏置一个正的脉冲高电压(约20V)。这时,浮栅上面的电荷又会通过隧道效应被移出。dhOednc

读取Flash时,一般在字线加正常逻辑电平(一般3.3V或者5V),源级接地,当浮栅上存在电荷时,MOS管截止,输出1状态信号。反之,浮栅上没有电荷,MOS管导通,输出0状态信号。dhOednc

dhOednc

图6  Flash单元擦写示例dhOednc

Flash过擦除(Over Erase)

快闪存储器的本质是存储阵列,通过对浮栅上的电荷与字线逻辑电平作比较来判断的。以Nor Flash为例。按照正常的工作方法,字线工作,会加正常逻辑(3.3V或5V);字线不工作,通常是悬空或者输入0V电平。dhOednc

正常情况,当字线不工作时,无正常逻辑(3.3V或5V)施压到栅极,不论浮栅上有无电荷,MOS管都要求截止。dhOednc

如果Flash出现过擦除,这时,浮栅上会表现为高压,输出电压值不确定。如果电压值刚好能使该单元的MOS管导通,此时,无论选择哪个字线,该位线的读值都是0V,从而影响其他单元的读写,这被称为“单元泄露”。因此,为了让Flash避免过擦除,对擦除的时候会非常小心,从而让擦除时间变长。dhOednc

dhOednc

图7  Nor Flash操作示意图dhOednc

超级快闪存储器(SuperFlash®

前面提到,快闪存储器的功能很强大,但擦除速度太慢。针对这一问题,Wolfe Yu介绍了世健代理的Microchip旗下SST发明的一种全新超级快闪存储SuperFlash®技术。dhOednc

dhOednc

图8  SuperFlash®闪存的叠栅MOS管结构dhOednc

在SuperFlash闪存中,控制栅被分成两部分,只覆盖一部分浮栅,它可以直接控制流入漏极的电流。dhOednc

过度擦除留下的正电荷会产生单元泄漏路径,导致闪存无法正确读取数据。对于SuperFlash闪存来说,由于控制栅直接管理漏极边缘,过度擦除无法使浮栅的泄漏路径的达到漏极。所以,SuperFlash闪存不会考虑过度擦除问题,相对来说,擦除时间就会短很多。dhOednc

随机存储器(RAM)

随机存储器,可以随时随地读写数据,读写方便,操作灵活。但是,RAM存在数据易失性的缺点。RAM主要分为动态随机存储器DRAM和静态存储器SRAM两大类。dhOednc

动态随机存储器(DRAM)一览

动态随机存取存储器(Dynamic Random Access Memory,DRAM)是一种半导体,主要的作用原理是利用内存储来代表一个(bit)。由于在现实中晶体管会有漏电电流的现象,导致电容上所存储的电荷数量无法判别数据,从而造成数据毁损,因此DRAM需要周期性地充电。由于这种定时刷新的特性,因此被称为“动态”存储器。dhOednc

dhOednc

图9  DRAM结构示意图dhOednc

静态随机存储器(SRAM)

静态随机存取存储器(Static Random Access Memory,SRAM)是在静态触发器的基础上构成,靠触发器的自保功能存储数据。dhOednc

SRAM的存储单元用六只N沟道MOS管组成,其中四个MOS管组成基本RS触发器,用于记忆二进制代码;另外两个做门控开关,控制触发器和位线。dhOednc

dhOednc

图10  SRAM结构示意图dhOednc

RS触发器,是最常见的基本数字锁存单元, FPGA的LUT的主要组成部分,结构简单,操作灵活,RS触发器有一个致命的缺陷,容易产生竞争冒险。dhOednc

dhOednc

图11 SRAM构造RS触发器数字逻辑示意图dhOednc

SRAM的单粒子翻转事件(SEU)

RS触发器有着非常好的锁存性能,但也有一个设计缺陷。在实际应用中,特别是在空间环境存在辐射的一些场景,会出现带电粒子穿过P管漏区有源区。此时,在粒子径迹上电离产生大量电子空穴对,形成“瞬态电流”。dhOednc

dhOednc

图12 单粒子翻转事件充电原理dhOednc

当上管出现一次电离辐射,通过建模,可以大致算出输出电压脉冲和累积电荷、以及存储电容存在一定关系。dhOednc

dhOednc

假设,如果前级输入是逻辑1,输出是逻辑0,存储单元电容为100fF,只要累积电荷达到0.65pC-0.7pC时,输出电压脉冲幅值>0.7V,就很容易判断为输出为高电平。在输出端电压脉冲恢复到零电平之前,通过反馈,将逻辑0写入输入,从而造成输出端电压固定在高电平,变成逻辑1,出现粒子翻转效应。这也是我们常说的数字电路的竞争冒险现象。dhOednc

dhOednc

图13  RS触发器引起竞争冒险现象dhOednc

单粒子翻转影响及加固

单粒子翻转会造成存储数据的改写,特别是行业多数FPGA芯片,大多是基于SRAM型的产品。一旦工作在恶劣环境下,极有可能引发产品工作异常,最终导致整个系统失灵。dhOednc

一般来说,通过三模冗余、时间冗余和错误检测与纠正等电路结构设计加固方法,可对其进行改善。dhOednc

不过最好的解决方法是采用Flash型FPGA。由于Flash型FPGA和基于锁存器原理的SRAM FPGA的存储原理完全不同,所以很难发生通过简单的电离辐射改写逻辑单元的情况,从而提高了可靠性。同时,Flash技术的产品的功耗也比SRAM的功耗低很多。dhOednc

目前,基于Flash工艺的FPGA主要是Microchip。它拥有基于反熔丝和Flash技术的FPGA,目前市场上主流产品是第三代SmartFusion® ProASIC®3/IGLOO®、第四代SmartFusion® 2/IGLOO2和第五代PolarFire/PolarFire SoC系列。dhOednc

其他存储器(FRAM&EERAM)

相对于传统的主流半导体存储器,非易失性只读存储器(ROM)和易失性随机存储器(RAM),还有一些速度较快,而且非易失性存储器,比如铁电存储器(FRAM)、和非易失性随机存储器(EERAM)。dhOednc

铁电存储器(FRAM)

上文有提到,EEPROM是通过电荷泵对浮栅操作来做数据存储,浮栅的擦写需要时间,还会破坏浮栅单元,存在次数限制。铁电存储器(FRAM)是采用一种特殊工艺的非易失性的存储器,是采用人工合成的铅锆钛(PZT) 材料形成存储器结晶体。dhOednc

当一个电场被加到铁电晶体时,中心原子顺着电场的方向在晶体里移动。当原子移动时,它通过一个能量壁垒,从而引起电荷击穿。内部电路感应到电荷击穿并设置存储器。移去电场后,中心原子保持不动,存储器的状态也得以保存。铁电存储器不需要定时更新,掉电后数据能够继续保存,速度快而且不容易写坏。dhOednc

铁电存储器是个好东西,不过有一个致命的弱点,贵。用在低成本的工业和消费场合性价比不高。dhOednc

dhOednc

图14  铁电存储器原理dhOednc

非易失性随机存储器存储器(EERAM)

除了上文提到的FRAM,还有一种新型非易失性随机存储器(EERAM),这个产品是Microchip的独家秘籍。dhOednc

dhOednc

图15  非易失性随机存储器架构dhOednc

EERAM的工作原理非常简单,灵感来源于采用后备电池供电的SRAM,它的本质就是不需要外部电池,而是通过一个很小的外部电容器,SRAM和EEPROM之间通过IC监测共集极的电压,一旦电源电压较低,就通过电容供电,把SRAM的数据搬到EEPROM里面,防止信号丢失。dhOednc

对于需要不断更新的存储数据,EERAM采用了一种特殊的工作方式,在监测到供电电压异常的时候,通过Vcap作为备用电源,把数据从SRAM转移到EEPROM,自动完成数据的安全转存dhOednc

当供电重新恢复正常,EEPROM的数据又自动导出到SRAM。而且,你也可以手动刷新数据到EEPROM。dhOednc

dhOednc

图16  非易失性随机存储器用电容为SRAM转移数据提供电源dhOednc

EERAM的优势包括: 自动通过断电可靠地保存数据、无限次写入数据、 低成本方案和 接近零时间的间隔写入这个器件性能较高,而且价格也没有铁电那么昂贵,非常适合防数据丢失,成本敏感的客户。dhOednc

dhOednc

图17  非易失性随机存储器工作原理dhOednc

Microchip基于先进存储技术一揽子解决方案

随着5G通信等市场的快速爆发,越来越多的定制产品层出不穷。由于存储器大多都要暴露在十分苛刻的环境中,市场对万能芯片FPGA的需求越来越大。Excepoint世健拥有专业的技术团队,其代理的Microchip 的FLASH型FPGA能有效抵抗辐射从而提高系统的可靠性,快速的SuperFlash和创新的EERAM技术的存储器等解决方案也都非常有特色,能帮助客户降低存储成本,为客户的系统设计需求提供更多选择。dhOednc

责编:Demi
  • 微信扫一扫
    一键转发
  • 最前沿的电子设计资讯
    请关注“电子技术设计微信公众号”
  • 仿真器智能,工程师更聪明! 不要过度依赖SPICE仿真器的自动设定,因为过度相信自动化有时可能引发错误。请记得:仿真器智能,工程师更聪明!
  • 儿童电子学(二):电容器 电容器是最重要的电气元件之一,我们将在儿童基础电子课程的第二部分了解它的工作原理我们将从储能功能方面对其进行探索,所进行的测试和实验将侧重于这一要素。
  • 碳化硅电力电子应用不止于汽车 第三代宽禁带半导体——碳化硅(SiC)——正在发挥其众所周知的潜力,在过去五年内,汽车行业一直是该材料的公开试验场。然而,电气化议程不会以汽车开始和结束。更广泛的运输应用将很快出现,包括卡车和公共汽车、船舶和航运、火车的进一步电气化,甚至飞机。在供电方面,并网太阳能发电系统和通过高压直流链路传输能源,对于低碳能源的生产和分配也至关重要。
  • 增强型GaN HEMT的漏极电流特性 增强型GaN基高电子迁移率晶体管(HEMT)已经采用两种不同的结构开发出来。这两种增强型结构是金属-绝缘层-半导体(MIS)结构和栅极注入晶体管(GIT)结构。MIS结构具有受电压驱动的小栅极漏电流,而GIT则具有脊形结构和高阈值电压。两者也都有一些缺点。MIS对栅极干扰的可靠性较低,阈值电压较低,而GIT的栅极开关速度较慢,栅极漏电流较大。
  • 利用反极性MOSFET帮助555振荡器忽略电源和温度变化 恒定频率振荡器是555定时器的经典应用之一。然而,由于所用二极管的特性不理想,占空比的间隔会随着温度和V+电源的变化而变化。本设计实例给出了一种解决方法:利用反极性P沟道MOSFET引导电容的充电电流而不产生任何明显压降。
  • 儿童电子学(一):LED 电子是当今的热门话题,许多孩子们也期望了解并掌握这个重要技术的基本原理。本文是一个面向孩子们的基础电子课程,将并以简单有趣的方式教他们基础知识,激发他们的兴趣。
  • 让智能手表摆脱手机束缚 智能手表迄今为止仍被普遍视为智能手机配件。尽管智能手表时尚酷炫,但是当您必须随身携带手机时,它的存在就会略显多余。而且,并不是任意一款手机都能与智能手表相兼容。
  • 给电子设计初学者的一些实用技巧 本文将为初学者提供一些实用的布局、提示和技巧,可以帮助您避免事故或解决各种问题。该系列将不定期发布。
  • 经典电子小制作项目:DS18B20制作的测温系统原程序原理 下面介绍的这款DS18B20制作的测温系统,测量的温度精度达到0.1度,测量的温度的范围在-20度到+50度之间,用4位数码管显示出来。DS18B20的外型与常用的三极管一模一样,用导线将JK—DS的DA端连到P3.1上。连接好DS18B20注意极性不要弄反,否则可能烧坏。
  • MP1584降压电路官方手册有坑?资深工程师分享常用DC-DC 在最初使用MP1584降压电路时,发现照着芯片手册的官方给出的参数去设置,发现还是有坑的,经过修改后,目前这个降压电路已经使用了很多年,经过几千产品量的打板实践,个人感觉还是算稳定的。为了帮助大家避开官方手册以及其他的一些坑,笔者特地撰文与大家分享一个常用的DC-DC的电路设计……
  • 为什么步进电机的微步没有想象的那么好? 在使用步进电机设计运动控制系统时,不能假设电机的额定保持转矩在微步时仍然适用,因为增量转矩会大大降低。这可能会导致意外的定位误差。在某些情况下,增加微步分辨率并不能提高系统精度。
  • 适用于CSP GaN FET的简单高性能散热管理解决方案 本文将演示芯片级封装(CSP) GaN FET提供的散热性能为什么至少能与硅MOSFET相当,甚至更胜一筹。GaN FET由于其卓越的电气性能,尺寸可以减小,从而能在不违背温度限制的同时提高功率密度。本文还将通过PCB布局的详细3D有限元仿真对这种行为进行展示,同时还会提供实验验证,对分析提供支持。
广告
热门推荐
广告
广告
EE直播间
在线研讨会
广告
广告
面包芯语
广告
向右滑动:上一篇 向左滑动:下一篇 我知道了