| 第一代NVSRAM模塊問世近20年來，新一代NVSRAM不斷更新，以保持與各種應(yīng)用同步發(fā)展，同時(shí)滿足新的封裝技術(shù)不斷增長(zhǎng)的需求。本文回顧了第一代NVSRAM器件的特點(diǎn)，描述了引領(lǐng)當(dāng)前產(chǎn)品不斷進(jìn)步的先進(jìn)技術(shù)，并與現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行了比較，概括了其主要應(yīng)用領(lǐng)域。
發(fā)展與現(xiàn)狀
第一代NVSRAM模塊采用大尺寸DIP封裝(圖1)。該封裝具有一定的高度，因?yàn)殡姵睾蚏AM芯片疊放于DIP封裝之中。DIP封裝的優(yōu)點(diǎn)在于，器件可以插入DIP插座，方便替換，儲(chǔ)存，或從一個(gè)印制板轉(zhuǎn)移到另一個(gè)。雖然這些優(yōu)點(diǎn)至今仍非常有用，但相比之下，更有必要發(fā)展表面貼裝技術(shù)，以及將工作電壓由5V變?yōu)?.3V。
圖1. 采用DIP封裝的第一代NVSRAM模塊
第二代NVSRAM模塊采用兩片式方案 - PowerCap®模塊(PCM)，即由直接焊接到印刷板的基座(包含SRAM)，以及PowerCap (也就是鋰電池，通過卡扣(圖2)固定在基座上)兩部分組成。與DIP模塊相比，這類器件具有兩個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)：它們采用表面貼裝，并且具有標(biāo)準(zhǔn)引腳配置。換句話說，無論多大容量的NVSRAM，其封裝和引腳數(shù)是相同的。因此，設(shè)計(jì)人員可以加大系統(tǒng)存儲(chǔ)容量，而不用必須擔(dān)心需要改變PCB布局。電池更換起來也很容易。
圖2. 采用PowerCap模塊封裝的第二代NVSRAM
第三代也就是最新的NVSRAM模塊旨在解決先前產(chǎn)品所存在的問題，同時(shí)增加了更多功能。這類新型NVSRAM是單片BGA模塊，內(nèi)置可充電鋰電池(圖3)。和PCM一樣，采用這種封裝形式的所有SRAM無論其容量大小，封裝尺寸和引腳配置都是相同的。此類模塊采用表面貼裝，并且是單片器件。因此設(shè)計(jì)更加堅(jiān)固可靠，較上一代器件可承受更強(qiáng)的機(jī)械震動(dòng)。由于電池是可充電的，因此數(shù)據(jù)保存時(shí)間的概念有了另外一層含義。用等效使用壽命一詞來描述更為適當(dāng)，此類器件等效使用壽命可高達(dá)200年! 這種模塊能承受+230°C的回流焊溫度，而提供的無鉛封裝器件可承受+260°C的溫度。
圖3. 采用單片式模塊封裝的第三代NVSRAM
與采用其它技術(shù)的NVSRAM進(jìn)行比較
SRAM為數(shù)據(jù)訪問和存儲(chǔ)提供了一個(gè)快速且可靠的手段。由系統(tǒng)電源或其它備用電源(例如電池)供電時(shí)，他們就具有非易失性。表1給出了幾種給定的非易失性存儲(chǔ)器存儲(chǔ)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)。
表1. 非易失性存儲(chǔ)器比較
| Feature |
Flash |
SRAM |
OUM |
EEPROM |
FRAM |
MRAM |
| Write speed |
slow |
fast |
fast |
slow |
fast |
fast |
| Read speed |
medium |
fast |
fast |
medium |
fast |
fast |
| Read endurance |
infinite |
infinite |
infinite |
infinite |
1,00E+12 |
infinite |
| Write endurance |
1,00E+06 |
infinite |
1,00E+12 |
1,00E+6 |
1,00E+12 |
1,00E+12 |
| Power consumption |
high |
low |
medium |
high |
low |
high |
| Lifetime |
low |
high |
high |
low |
medium |
high |
| Density |
high |
medium |
high |
low |
medium |
high |
| Read |
non-destructive |
non-destructive |
non-destructive |
non-destructive |
destructive |
non-destructive |
| Data retention at +140°C |
good |
good |
good |
medium |
good |
poor |
NVSRAM中的電池對(duì)于數(shù)據(jù)保存來說至關(guān)重要。電池的不良接觸會(huì)極大地影響電池壽命。其他因素，如震動(dòng)、濕度以及內(nèi)置的電池切換電路都會(huì)縮短電池的使用壽命，同時(shí)也會(huì)影響系統(tǒng)的整體可靠性。這些問題帶來的最直接的后果是：終端客戶更換電池的時(shí)間間隔更短了，例如每年就需要更換一次，而不是五到十年一次。
應(yīng)用
NVSRAM通常用于要求維護(hù)次數(shù)盡可能少，頻繁進(jìn)行讀/寫操作，并且數(shù)據(jù)保存速度是至關(guān)重要的系統(tǒng)中。數(shù)控銑床就是一個(gè)例子。假設(shè)機(jī)器正在進(jìn)行銑操作的時(shí)候突然斷電。出于安全考慮，需要撤出鉆頭并將其停放在一個(gè)安全位置。一旦上電，機(jī)器必須記住停止工作的點(diǎn)。有了NVSRAM模塊，這一任務(wù)是很容易實(shí)現(xiàn)的。另外，還可以采用由大電容或超級(jí)電容供電的寬輸入范圍升壓式DC-DC轉(zhuǎn)換器。選擇的保持時(shí)間應(yīng)等于或大于向EEPROM中存儲(chǔ)程序信息所需的時(shí)間。在數(shù)據(jù)寫入EEPROM之前，仍然需要SRAM充當(dāng)數(shù)據(jù)緩存。采用這一方案，附加元件的費(fèi)用通常要超出NVSRAM模塊的成本，并且可靠性較低。
在防篡改應(yīng)用特別是在POS終端中，數(shù)據(jù)記錄非常重要。如今的智能終端無需經(jīng)過耗時(shí)的遠(yuǎn)程服務(wù)器的驗(yàn)證就能確認(rèn)付款交易。由于安全數(shù)據(jù)儲(chǔ)存于終端內(nèi)部，因此這里完全依靠單片BGA模塊。安全微控制器可以將密鑰存放在IC內(nèi)部的“安全區(qū)”內(nèi)。然而，仍然需要采取一些額外措施，以防止存放在微控制器之外SRAM中的加密數(shù)據(jù)被讀取和解碼。目前所能提供的保護(hù)措施尚不足以對(duì)付那些狡猾的黑客。針對(duì)這一問題，Maxim/Dallas Semiconductor推出了定制的BGA模塊，包含安全微控制器、SRAM、篡改檢測(cè)電路，以及定時(shí)和控制功能。
其它需記錄數(shù)據(jù)的應(yīng)用場(chǎng)合是機(jī)動(dòng)車黑匣子(motor-vehicle crash box)。發(fā)生碰撞時(shí)應(yīng)將數(shù)據(jù)迅速且可靠地存放在存儲(chǔ)器中。此時(shí)單片BGA以其可靠性再次成為理想之選。數(shù)據(jù)篡改同樣是個(gè)問題，但實(shí)際操作中要解決這一問題，可以將加密數(shù)據(jù)存放到NVSRAM。破解加密數(shù)據(jù)幾乎相當(dāng)于去攻擊付款交易終端，因此對(duì)于黑客來說是不值得的。
博彩機(jī)要求可靠地記錄數(shù)據(jù)，以保障客戶權(quán)利。此類應(yīng)用中，博彩機(jī)經(jīng)營(yíng)者可以打開機(jī)器、取出電池，進(jìn)而謊稱數(shù)據(jù)意外丟失了，因此兩片式PCM方案并非理想的選擇。可以在每次打開機(jī)器的時(shí)候?qū)⒂涗泴懭隕EPROM之中，然而這樣會(huì)增加額外成本及復(fù)雜度。BGA模塊上的電池是不能被取出的，因此輕易地解決了這一問題。
高壓故障保護(hù)設(shè)備需要連續(xù)監(jiān)控電網(wǎng)狀況，隨時(shí)準(zhǔn)備保存故障發(fā)生時(shí)的大量的數(shù)據(jù)。設(shè)備必須保證在無現(xiàn)場(chǎng)維修技術(shù)人員維護(hù)的情況下至少使用十年。由于故障保護(hù)裝置通常由電網(wǎng)供電，并且BGA模塊中的電池不會(huì)耗盡，因此BGA模塊非常適用于這種場(chǎng)合。這樣就可以實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的工作時(shí)間。新一代故障保護(hù)裝置的軟件設(shè)計(jì)人員只需選用高密度NVSRAM模塊就能增加SRAM存儲(chǔ)容量，無需更改已有的印制板布局。由于所有NVSRAM模塊的引腳配置都是預(yù)先設(shè)定好的，因此SRAM密度增加時(shí)，只需將更多“無連接” (NC)引腳變?yōu)樗璧牡刂肪€即可。
結(jié)語
NVSRAM模塊不僅可以快速且可靠的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，而且在封裝技術(shù)方面也很有競(jìng)爭(zhēng)力。這些器件適用于需要安全數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及幾乎不需要現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)的場(chǎng)合。 |
