Seit dreißig Jahren kombiniert man Batterien und statische RAMs, um sich gegen Datenverluste durch Spannungsausfall zu schützen. Die anfangs verwendeten, diskreten Lösungen waren nicht frei von Problemen. Damit die Batterie lange hielt, schieden Speicher mit kurzen Zugriffszeiten aus. Auch die Batterien selbst boten nur begrenzte Kapazität und eingeschränkte Zuverlässigkeit. Dann ging man dazu über, die batteriegepufferten Speicher in Form von Modulen zu verwenden, indem entweder alle Komponenten in einen Baustein integriert oder die Batterie auf den IC mit den Steuerungsschaltungen aufgesteckt wurde. Für Schaltungsdesign, Produktion und Zuverlässigkeit war nun der Bauelemente-Hersteller verantwortlich.
Eine weitere Funktion, die bei batteriegepufferten SRAMs beinahe selbstverständlich vorausgesetzt wurde, war die Echtzeituhr, um beispielsweise Uhrzeit und Datum anzeigen oder Ereignisse mit Zeitstempeln versehen zu können. Wegen der stets bereiten Versorgungsspannung im batteriegepufferten SRAM lag es nahe, diese Funktion mit zu integrieren. Trotz der Verbesserungen bei Speicherdichte, integrierten Steuerungsschaltungen und Batterietechniken blieben grundlegende Mängel der batteriegepufferten SRAMs bestehen.
Mängel batteriegepufferter SRAMs
Mangelnde Zuverlässigkeit, komplexe Fertigung, hoher Platzbedarf, niedrige Geschwindigkeit und mangelnde Umweltverträglichkeit sind hier anzuführen.
Ein typischer batteriegepufferter SRAM setzt sich aus vier Bauteilen zusammen: einem SRAM, einem Spannungswächter bzw. -controller, einer Batterie und (außer bei Modullösungen) einem Stecksockel für die Batterie. Für eine Aussage über die Zuverlässigkeit des Gesamtsystems könnte man schlicht die Ausfallraten aller Bauteile multiplizieren. Dabei sind jedoch die Verbindungen zwischen den Bauteilen noch nicht berücksichtigt. Insbesondere die Kontakte der häufig gesockelten Batterie weisen eine hohe Ausfallwahrscheinlichkeit auf. Hinzu kommt, dass die Lebensdauer einer Batterie nicht genau vorhersagbar ist. In Verbindung mit einem SRAM, der eine Stand-by-Stromaufnahme von 5 µA hat, hält eine 165-mAh-Batterie nominell keine vier Jahre. Die Zeitspanne verkürzt sich deutlich, wenn das System extremen Temperaturen ausgesetzt ist. Probleme bei der Fertigung ergeben sich in erster Linie daraus, dass Batterien die hohen Temperaturen bei der Reflow-Lötung nicht verkraften. Abhilfe schuf zunächst die nachträgliche Montage der Batterie bzw. des Moduls in einem zweiten Fertigungsschritt. Später wurden SRAM und Steuerungs-IC in einem Modul zusammengefasst, in das die Batterie erst nach erfolgter Lötung eingesteckt wurde. Kunststoffklammern boten den nötigen Halt, aber die elektrische Verbindung erfolgte nur über Druckkontakte, die denselben Korrosions- und Vibrationsproblemen unterlagen wie früher die gesockelte Batterie. Die technische Entwicklung hat zwar den Platzbedarf der batteriegepufferten SRAMs schrumpfen lassen, doch effizient kann man die Lösungen diesbezüglich nicht nennen. Heute benötigen die besten diskreten Lösungen noch mindestens 555mm², nicht eingerechnet die zusätzliche Fläche für Verdrahtung und Fertigungstoleranzen. Da kurze Zugriffszeiten bei den ersten batteriegepufferten SRAMs kritisch waren, traf es sich gut, dass Low-Power-Designs ebenfalls nicht zu den schnellsten gehörten. Die meisten batteriegepufferten Lösungen sind heute für Zugriffszeiten zwischen 55 und 100 ns ausgelegt. Es gilt, zwischen Geschwindigkeit und Datenerhalt abzuwägen, wobei letzterer vom Stand-by-Strom und der Batteriekapazität abhängig ist. Die Umweltverträglichkeit ist bei batteriegepufferten SRAMs besonders problematisch, da sich diese Bauteile nicht ohne Weiteres inspizieren, reparieren und entsorgen lassen. Die EU-Direktive zu Batterien, Akkus und Altbatterien strebt die Verwendung weniger gefährlicher Stoffe bei der Batterieherstellung und eine Verbesserung der Altstoffbehandlung an. Ein völliger Verzicht auf Batterien ist unrealistisch, die eingeleiteten Maßnahmen sollen jedoch Restriktionen bezüglich der verwendeten Stoffe sowie für das Einsammeln und Wiederaufbereiten gebrauchter Batterien vorgeben. Unter dem Strich ergeben sich dadurch Mehrkosten für die Entsorgung, die jedes Produkt, das auf Batterien angewiesen ist, verteuern. Alternativen zu batteriegepufferten SRAMs zu finden, war bislang schwierig. Gelegentlich hat man SRAMs mit EEPROMs kombiniert oder Kombinationen aus SRAMs und Flash-Speichern gebildet. Hier konnte nur eine begrenzte Datenmenge über den Datenbus gesichert werden, wobei beispielsweise ein großer Kondensator als Hilfsstromversorgung fungierte. Exotische neue Techniken wie ferroelektrische, magnetische oder Phasenwechsel-Speicher bieten sich für die Entwicklung nichtflüchtiger Speicher an, die in der Zukunft kommerziell einsetzbar wären. Dem stehen bislang noch die begrenzte Leistungsfähigkeit, die teure Herstellung und die speziellen Werkstoffe der Speicher entgegen. Cypress hat nun eine Familie nichtflüchtiger SRAMs entwickelt, die die Nachteile batteriegepufferter Lösungen umgehen. Eine schnelle SRAM-Zelle wird hier mit nichtflüchtigen Elementen kombiniert, um ohne Batterien eine Sicherung der gespeicherten Daten bei Spannungsausfall zu erreichen. Wie das Blockschaltbild des NV-SRAM zeigt, ist die System-Schnittstelle identisch mit der eines herkömmlichen asynchronen SRAM-Bausteins (Abbildung 1). Adress- und Datenleitungen sowie die Steuersignale /CE, /OE und /WE sind dem Systemdesigner in der x8- und x16-Konfiguration bestens vertraut. Schreib- und Lesezugriffe werden im Normalbetrieb auf dem SRAM-Teil ausgeführt. Die nichtflüchtige Funktion wird erst beim Ausfall der Stromversorgung oder auf einen Store-Befehl des Anwenders hin aktiviert.
Im SONOS-Prozess gefertigte NV-SRAMs
Meist wird die Autostore-Funktion zum Abspeichern benutzt. Sobald der interne Spannungswächter feststellt, dass die Versorgungsspannung einen bestimmten Grenzwert unterschreitet, werden die I/O-Leitungen gesperrt, um ein Verfälschen der Daten im SRAM zu verhindern. Mit der Energie aus einem kleinen Kondensator werden dann die Daten aus allen SRAM-Zellen gleichzeitig in die zugehörigen nichtflüchtigen Elemente kopiert. Nach dem Wiedereinschalten der Versorgungsspannung veranlasst der Spannungswächter mithilfe der Recall-Funktion das Zurückladen der Daten in den SRAM, und der reguläre Betrieb kann wieder aufgenommen werden. Abhängig vom gewählten Baustein lässt sich das Kopieren des SRAM-Inhalts auch durch einen Hard- oder Softwarebefehl anstoßen.Der Hersteller produziert NV-SRAMs in einem SONOS-Prozess (Silicon-Oxide-Nitride-Oxide-Silicon), um die nichtflüchtigen Elemente in SRAM-Zellen zu integrieren. Dabei ermöglicht es die Quantum-Trap-Technik, niedrige Lösch- und Programmierströme sowie schwache elektrische Felder zu verwenden, um Ladung in ein Siliziumnitrid-Isoliermaterial zu speichern. Da die Ladung durch eine dünne Oxidschicht gepumpt wird, lassen sich die Ströme niedrig halten, was die Zuverlässigkeit verbessert und ein gleichzeitiges Abspeichern des gesamten Speicherinhalts ermöglicht. Das Speichern von Ladung in einer isolierenden Siliziumnitrid-Schicht ist überdies weniger anfällig gegen kontaktbedingte Spannungsspitzen, Risse in der Oxidschicht oder Fertigungsfehler.
Ein NV-SRAM benötigt keine Batterie und ist damit verlässlich. Der SRAM-Teil verkraftet unbegrenzt viele Schreibzyklen, der nichtflüchtige Abschnitt ist für 200.000 Store-Zyklen garantiert. Das Rückspeichern aus den nichtflüchtigen Elementen hat keinen Einfluss auf die Haltbarkeit. Selbst im industriellen Temperaturbereich ist ein Datenerhalt von zwanzig Jahren nach dem letzten Store-Zyklus spezifiziert. Als monolithischer Baustein bietet ein NV-SRAM alle effizienten Montage- und Zuverlässigkeits-Eigenschaften eines konventionellen SRAM-Speichers. Der Hersteller bietet aktuell NV-SRAMs von 256KB bis 4 MB an. Jede Variante gibt es mit eingebauter Echtzeituhr mit vollem Funktionsumfang, und es werden Zugriffszeiten ab 15 ns geboten. Die oberflächenmontierbaren SSOP-, SOIC-, TSOPII- und BGA-Gehäuse entsprechen der RoHS-Richtlinie.
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