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主控芯片CPU/FPGA存儲(chǔ)及單粒子翻轉(zhuǎn)科普

發(fā)布時(shí)間:2022-01-25 來源:世健 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】隨著Type-C的廣泛應(yīng)用,以往的USB充電方案也逐漸需要Type-C Power Delivery(PD)來實(shí)現(xiàn)更高效快捷的充電。以往的座充通常僅支持單電池充電,在某些耗電量較大的便攜式設(shè)備應(yīng)用的場(chǎng)景下不能完全滿足需求,因此本文章提出了一個(gè)雙電池快充的解決方案。


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(duì)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(chǔ)器。目前市場(chǎng)上大多數(shù)售賣主芯片的廠商都是靠存儲(chǔ)器起家的。Excelpoint世健公司的工程師Wolfe Yu在此對(duì)存儲(chǔ)的分類以及它們各自的優(yōu)劣進(jìn)行了科普介紹。


半導(dǎo)體存儲(chǔ)器功能分類

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


ROM結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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。


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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。


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圖2  RAM重新上電信息丟失


只讀存儲(chǔ)器(ROM)

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


早期只讀存儲(chǔ)器一覽

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


可編程只讀存儲(chǔ)器:也叫“反熔絲”,比掩膜存儲(chǔ)器高級(jí)點(diǎn),出廠時(shí)可以燒寫一次,但如果燒錯(cuò)了,只好作廢換下一個(gè)。


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(jí),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(hù)隧道氧化層,EEPROM還會(huì)再加一個(gè)選通管。程序讀寫時(shí),主要通過字線和位線施加脈沖來實(shí)現(xiàn)操作。


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圖3  掩膜存儲(chǔ)器、反熔絲存儲(chǔ)器、EEPROM一覽


快閃存儲(chǔ)器(Flash Memory)

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


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圖4  Flash存儲(chǔ)器單元結(jié)構(gòu)


快閃存儲(chǔ)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(gè)Flash的疊柵MOS管結(jié)構(gòu)。


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圖5  普通Flash的疊柵MOS管結(jié)構(gòu)


快閃存儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)的。寫入時(shí),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(jí)和漏極之間會(huì)發(fā)生雪崩擊穿,部分電子會(huì)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(shí)現(xiàn)。擦除時(shí),將字線接地,同時(shí),在P阱和N襯底上偏置一個(gè)正的脈沖高電壓(約20V)。這時(shí),浮柵上面的電荷又會(huì)通過隧道效應(yīng)被移出。


讀取Flash時(shí),一般在字線加正常邏輯電平(一般3.3V或者5V),源級(jí)接地,當(dāng)浮柵上存在電荷時(shí),MOS管截止,輸出1狀態(tài)信號(hào)。反之,浮柵上沒有電荷,MOS管導(dǎo)通,輸出0狀態(tài)信號(hào)。


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圖6  Flash單元擦寫示例


Flash過擦除(Over Erase)

快閃存儲(chǔ)器的本質(zhì)是存儲(chǔ)陣列,通過對(duì)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(huì)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(shí),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(shí),浮柵上會(huì)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(shí),無論選擇哪個(gè)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(duì)擦除的時(shí)候會(huì)非常小心,從而讓擦除時(shí)間變長(zhǎng)。


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圖7  Nor Flash操作示意圖


超級(jí)快閃存儲(chǔ)器(SuperFlash?)

前面提到,快閃存儲(chǔ)器的功能很強(qiáng)大,但擦除速度太慢。針對(duì)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(jí)快閃存儲(chǔ)SuperFlash?技術(shù)。


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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(huì)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(duì)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(huì)考慮過度擦除問題,相對(duì)來說,擦除時(shí)間就會(huì)短很多。


隨機(jī)存儲(chǔ)器(RAM)

隨機(jī)存儲(chǔ)器,可以隨時(shí)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(diǎn)。RAM主要分為動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器DRAM和靜態(tài)存儲(chǔ)器SRAM兩大類。


動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器(DRAM)一覽

動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(Dynamic Random Access Memory,DRAM)是一種半導(dǎo)體存儲(chǔ)器,主要的作用原理是利用電容內(nèi)存儲(chǔ)電荷來代表一個(gè)二進(jìn)制比特(bit)。由于在現(xiàn)實(shí)中晶體管會(huì)有漏電電流的現(xiàn)象,導(dǎo)致電容上所存儲(chǔ)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(shí)刷新的特性,因此被稱為“動(dòng)態(tài)”存儲(chǔ)器。


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圖9  DRAM結(jié)構(gòu)示意圖


靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器(SRAM)

靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)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(chǔ)數(shù)據(jù)。


SRAM的存儲(chǔ)單元用六只N溝道MOS管組成,其中四個(gè)MOS管組成基本RS觸發(fā)器,用于記憶二進(jìn)制代碼;另外兩個(gè)做門控開關(guān),控制觸發(fā)器和位線。


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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(jiǎn)單,操作靈活,RS觸發(fā)器有一個(gè)致命的缺陷,容易產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)。


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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(gè)設(shè)計(jì)缺陷。在實(shí)際應(yīng)用中,特別是在空間環(huán)境存在輻射的一些場(chǎng)景,會(huì)出現(xiàn)帶電粒子穿過P管漏區(qū)有源區(qū)。此時(shí),在粒子徑跡上電離產(chǎn)生大量電子空穴對(duì),形成“瞬態(tài)電流”。


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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(chǔ)電容存在一定關(guān)系。


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假設(shè),如果前級(jí)輸入是邏輯1,輸出是邏輯0,存儲(chǔ)單元電容為100fF,只要累積電荷達(dá)到0.65pC-0.7pC時(shí),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(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)現(xiàn)象。


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圖13  RS觸發(fā)器引起競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)現(xiàn)象


單粒子翻轉(zhuǎn)影響及加固

單粒子翻轉(zhuǎn)會(huì)造成存儲(chǔ)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(gè)系統(tǒng)失靈。


一般來說,通過三模冗余、時(shí)間冗余和錯(cuò)誤檢測(cè)與糾正等電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)加固方法,可對(duì)其進(jìn)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(chǔ)原理完全不同,所以很難發(fā)生通過簡(jiǎn)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(shí),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(chǎng)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(chǔ)器(FRAM&EERAM)

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


鐵電存儲(chǔ)器(FRAM)

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


當(dāng)一個(gè)電場(chǎng)被加到鐵電晶體時(shí),中心原子順著電場(chǎng)的方向在晶體里移動(dòng)。當(dāng)原子移動(dòng)時(shí),它通過一個(gè)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(chǔ)器。移去電場(chǎng)后,中心原子保持不動(dòng),存儲(chǔ)器的狀態(tài)也得以保存。鐵電存儲(chǔ)器不需要定時(shí)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(chǔ)器是個(gè)好東西,不過有一個(gè)致命的弱點(diǎn),貴。用在低成本的工業(yè)和消費(fèi)場(chǎng)合性價(jià)比不高。


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圖14  鐵電存儲(chǔ)器原理


非易失性隨機(jī)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器(EERAM)

除了上文提到的FRAM,還有一種新型非易失性隨機(jī)存儲(chǔ)器(EERAM),這個(gè)產(chǎn)品是Microchip的獨(dú)家秘籍。


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圖15  非易失性隨機(jī)存儲(chǔ)器架構(gòu)


EERAM的工作原理非常簡(jiǎn)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(gè)很小的外部電容器,SRAM和EEPROM之間通過IC監(jiān)測(cè)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(hào)丟失。


對(duì)于需要不斷更新的存儲(chǔ)數(shù)據(jù),EERAM采用了一種特殊的工作方式,在監(jiān)測(cè)到供電電壓異常的時(shí)候,通過Vcap作為備用電源,把數(shù)據(jù)從SRAM轉(zhuǎn)移到EEPROM,自動(dòng)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(dòng)導(dǎo)出到SRAM。而且,你也可以手動(dòng)刷新數(shù)據(jù)到EEPROM。


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


EERAM的優(yōu)勢(shì)包括:自動(dòng)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(shí)間的間隔寫入。這個(gè)器件性能較高,而且價(jià)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。


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圖17  非易失性隨機(jī)存儲(chǔ)器工作原理


Microchip基于先進(jìn)存儲(chǔ)技術(shù)一攬子解決方案

隨著5G通信等市場(chǎng)的快速爆發(fā),越來越多的定制產(chǎn)品層出不窮。由于存儲(chǔ)器大多都要暴露在十分苛刻的環(huán)境中,市場(chǎng)對(duì)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(tuán)隊(duì),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(chǔ)器等解決方案也都非常有特色,能幫助客戶降低存儲(chǔ)成本,為客戶的系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求提供更多選擇。

(來源:世?。?/p>


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