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)。
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。
图1 ROM重新上电信息保留
RAM就不一样了，每次上电之后，上一次的信息无法保留。
图2 RAM重新上电信息丢失
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。
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。
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。
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。
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。
图3 掩膜存储器、反熔丝存储器、EEPROM一览
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。
图4 Flash存储器单元结构
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。
图5 普通Flash的叠栅MOS管结构
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。
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。
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。
图6 Flash单元擦写示例
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。
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。
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。
图7 Nor Flash操作示意图
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。
图8 SuperFlash®闪存的叠栅MOS管结构
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。
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。
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。
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。
图9 DRAM结构示意图
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。
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。
图10 SRAM结构示意图
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。
图11 SRAM构造RS触发器数字逻辑示意图
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”。
图12 单粒子翻转事件充电原理
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。
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。
图13 RS触发器引起竞争冒险现象
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。
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。
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。
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。
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）。
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。
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。
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。
图14 铁电存储器原理
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。
图15 非易失性随机存储器架构
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。
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。
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。
图16 非易失性随机存储器用电容为SRAM转移数据提供电源
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。
图17 非易失性随机存储器工作原理
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。
-
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”
- 一种用于电路板回收的新基材：遇水能溶 英国的Jiva Materials公司开发了一种新型的PCB基材Soluboard，这种基材是由天然纤维包裹在一种无卤的聚合物中制成的，与行业内经常使用的FR-4基材不同，这种材料只要在90摄氏度左右的热水中浸泡30分钟，就可以分层溶解···
- 机器人版的ChatGPT，谷歌新模型泛化能力大幅提高 7月28日，Google DeepMind宣布以训练AI聊天机器人的方式训练了一款全新的机器人模型Robotic Transformer 2(RT-2)，这是一种新颖的视觉-语言-动作(VLA)模型，可以从网络和机器人数据中学习，并将这些知识转化为机器人控制的通用指令。
- 英伟达惨遭背刺，这个SDK让AMD平台也能运行CUDA 近日，AMD正式推出了HIP SDK，这是ROCm生态系统的一部分，基于开源ROCm解决方案，HIP SDK使消费者可以在各类GPU上运行CUDA应用，为专业和消费级GPU提供CUDA支持。
- 头部跟踪功能如何提升您的空间音频体验 音频已成为我们使用媒体时沉浸感和逼真度的重要组成部分。当前的技术正在加强各种体验本身的沉浸式体验，让它们更加栩栩如生，但如果没有头部跟踪，由于大脑无法解决这种关键的含糊不清问题，这种沉浸感可能会被破坏。
- 如何用软件定义无线电实现更有效的核磁共振成像仪设计 在本文中，我们讨论了MRI的基本概念，以及如何将SDR集成到这些系统中以提高性能和功能。我们介绍了一些适用于MRI应用的SDR规范，以及对MIMO射频通道的支持。还讨论了让SDR成为高性能射频单元的原因，以及高信噪比和MIMO通道之间的高相位相干性。
- 电池能用三十年？美国Ener Venue称推出革命性电池技术 三元锂离子电池的理论寿命约为800次循环，磷酸铁锂约为2000次，而钛酸锂据说可以达到1万次循环，也就是说常规普通人使用的锂离子电池每天完全充放电三次，最多也就能用上几年的时间。虽然相较于铅酸电池200-300次的循环寿命来说，这已经是很大幅度的提升了，但现在有一家公司宣称他们的电池可以充放电30000次，每天充放电三次，能用30年。
- 测试中比友商温度低14度，一加天工散热系统怎么做到的？ 7月27日，一加在2023年ChinaJoy上发布了全球首创的散热技术，即航天级三维立体散热系统“天工散热系统”，这是一加的又一次新的尝试，让我们一起来了解一下。
- 闪存控制器在医疗安全中的作用简述 与大多数其他领域不同，对医疗设备的攻击可能危及人们的健康甚至生命，特别是当有大量医疗设备联网以便对患者实现更好的监控和管理时。这包括药物输液泵、心脏起搏器，以及监测心率、血压和其他生命体征的设备。
- 后来居上，美光宣布已出样业界首款HBM3 Gen2内存 7月26日，美光宣布推出业界首款8层24GB HBM3 Gen2内存芯片，是HBM3的下一代产品，采用1β工艺节点，目前该款美光内存芯片正在向客户提供样品。
- 韩国造世界首个室温超导体，闹剧还是新的未来？ 7月22日，韩国的一个科研团队在预印本网站arXiv平台上上传了两篇论文，声称发现了世界上首个常压室温超导体，这种材料是一种改性铅磷灰石名为LK-99，超导临界温度在127摄氏度，即400K以上，而且在常压下就具备超导性。
- 基于软件的无线输电建模方法 本文探讨了无线输电(WPT)在电动汽车(EV)充电、手机充电以及医疗设备等应用中的作用。
- 下一个医疗前沿：网联可穿戴设备 医疗和消费级可穿戴设备将继续增强连接性和电池寿命，以实现对血压、体温和身体水分等多种生物标志物的实时和非侵入性监测。
- 激发未来小小女工程师对STEM课程的兴趣，对工程界至关重要 泰克科技组合软件总经理Rick Khulman: “激发孩子们——尤其是女孩们对STEM的兴趣，对我本人乃至广大工程界
- 数据闭环——自动驾驶下半场的“入场券” 自动驾驶战争的上半场拼的是硬件和算法，下半场拼的则是数据和将数据点石成金的能力，即数据闭环能力。
- Nothing Ear（2）真无线降噪耳机拆解 在2023年3月，Nothing正式发布了全新迭代产品——Nothing Ear（2）真无线降噪耳机，在外观方面延续了家族式的透明元
- 小米Sound Move智能音箱拆解 Xiaomi Sound Move搭载4单元，采用双对称立体声学结构设计，通过高解析力双扬声器和双被动辐射器，经由小米声学金
- 射频传输线基础 今天大家一起学习一下射频传输线基础这篇讲义
- 奔驰半年成绩单：让赚钱变得更优雅！ 2023年上半年，梅赛德斯-奔驰集团呈现出强劲的财务表现和业务增长。本文详述各方面的具体表现。
- 自动驾驶对动力系统的影响 7月13日，由中国汽车工程学会、青岛市工业和信息化局主办，中汽翰思管理咨询公司协办的第十五届汽车动力系统技
- 红配绿，黑与白？什么样的配色才能俘获审稿人的芳心？ 好的科研绘图配色令人印象深刻，也能更准确地传递数据信息，今天小编就带大家看一下怎样去选择最适合自己数据，能
- AP AUTOSAR设计思想及原理 本文给大家分享一下在 AP AUTOSAR 里面我们怎么样去做一个设计，整个 AP 的设计思想及原理。
- 多合一电驱动系统设计和挑战 7月13日，由中国汽车工程学会等主办的第十五届汽车动力系统技术年会（TMC2023）在青岛举行。会上许多公司展示了引
- 电动化降价，智能化收费：未来汽车的双重变革 从2023年开始，价格战的阴影一直笼罩在汽车行业上面，“卷”是进行时，但是怎么”卷”出来是所有人考虑的问题。
- 宝华韦健TWS耳机PI7 S2评测 全新一代 Pi7 S2 的体验如何？耳机在保持上代经典「英伦风」的同时，又能带来哪些新体验呢？下面，就让我爱音频网带
- 瑞萨电子MCU和MPU产品线将支持Microsoft Visual Studio Code 客户现可以在VS Code中设计和调试瑞萨嵌入式处理器的软件，与瑞萨自有e2 Studio IDE相辅相成
- 逐点半导体IRX游戏体验品牌正式上线 从移动视觉处理方案到特定游戏调优，推动手游体验迈向新的征程
- 大联大世平集团推出基于onsemi产品的电动汽车（EV）充电桩方案 大联大控股宣布，其旗下世平推出基于安森美（onsemi）NTBG022N120M3S和NCD57084产品的电动汽车（EV）充电桩方案。
- 意法半导体发布创新红外传感器，提升楼宇自动化的人员存在和移动检 带有微加工热敏晶体管的高集成度、超低功耗传感器可取代传统的被动红外探测器
- 比科奇介绍其打造更加智能移动通信基础设施新愿景 比科奇在MWC上海世界移动通信大会期间介绍了其在引入人工智能（AI）等技术打造更加智能的移动通信基础设施方向
- WiSA E开发套件开始向全球发货，旨在统一非Sonos音频市场 面向中国、韩国、日本和美国的各大品牌发货
- 安森美和麦格纳签署战略合作协议，投资碳化硅生产以满足日益增长的 麦格纳将在其主驱逆变器方案中集成安森美的EliteSiC以增加电动汽车的续航里程和能效
- 小尺寸大功率Harwin连接器子系列可从360° EMC后壳中受益 Harwin公司宣布其Kona大功率连接器子系列现已推出带后壳的产品。
- Arm 扩大开源合作伙伴关系，加强投入开放协作 Arm 和我们的生态系统的关键信念之一是与开源社区合作，共创一个高度发达的 Arm 架构，使软件的落地更加稳定，从
- WiSA推出两款功能强大的新工具，用于实现、管理和测试WiSA技术支持 新工具可为客户提供全面支持，助其开发和制造采用WiSA E和WiSA DS设计、用于多声道音频的产品
- 艾迈斯欧司朗推出智能多像素EVIYOS 2.0 LED，适用于高精度自适应 EVIYOS 2.0具备高分辨率、完全防眩智能远光功能，在远光模式下自动降低眩光；EVIYOS 2.0将图像和安全警示投射
- 全新Arm IP Explorer平台助力SoC架构师与设计厂商加速IP选择 Arm推出全新Arm IP Explorer平台
