F-RAM與BBSRAM功能和系統(tǒng)設(shè)計(jì)之比較

　引言

　　高性能和環(huán)保是當(dāng)前技術(shù)創(chuàng)新的兩大要求。二者共同推動(dòng)半導(dǎo)體元器件的發(fā)展，同時(shí)也為全球眾多企業(yè)和消費(fèi)者所耳熟能詳。

　　若系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要采用半導(dǎo)體存儲(chǔ)器技術(shù)，工程師有(但不限于)以下選擇：電池備份靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器(battery backed static random access memory, BBSRAM);非易失性SRAM;鐵電隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(F-RAM);以及其它noVRAM技術(shù)。在從工廠自動(dòng)化和電信到計(jì)量和醫(yī)療技術(shù)的每一種應(yīng)用中，要確定最適合的存儲(chǔ)器選擇，是一項(xiàng)重要的設(shè)計(jì)考慮事項(xiàng)。

　　本文將闡釋F-RAM 和 BBSRAM存儲(chǔ)器之間的功能差異和設(shè)計(jì)差異。本文還會(huì)特別強(qiáng)調(diào)F-RAM如何能夠?yàn)樵O(shè)計(jì)人員提供具備成本優(yōu)勢(shì)和更簡(jiǎn)化的系統(tǒng)及維護(hù)的前瞻性的環(huán)保選擇方案。

　　在許多數(shù)據(jù)記錄應(yīng)用中，BBSRAM存儲(chǔ)器都扮演了重負(fù)荷芯片的角色。BBSRAM易于使用，耐久性高，寫入速度快，但它的最大缺點(diǎn)是需要電池。而電池既給環(huán)境造成有害影響，也給設(shè)計(jì)和系統(tǒng)帶來障礙。

　　而F-RAM是一種成熟的半導(dǎo)體技術(shù)，具有寫入速度極快、耐久性高和功耗超低等特性。F-RAM固有非易失性的特點(diǎn)，性能堪比SRAM，卻又無需電池，這些都在設(shè)計(jì)和功能方面為工程師提供了顯著的優(yōu)勢(shì)。

　　去掉電池還有助于工程師在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中節(jié)省空間。只要采用F-RAM，就不必為擔(dān)心電池受標(biāo)準(zhǔn)焊接工藝損害而對(duì)之進(jìn)行專門處理，從而節(jié)省成本。在當(dāng)今環(huán)保意識(shí)高漲的全球文化氛圍中，F(xiàn)-RAM無需電池更換和處理工序，減少了電池帶來的污染，是一種更為環(huán)保的解決方案。

　　下文將對(duì)F-RAM 和 BBSRAM進(jìn)行了比較分析，強(qiáng)調(diào)了這兩種存儲(chǔ)器選擇之間的功能和設(shè)計(jì)差異，以及它們對(duì)生態(tài)、成本和性能的相關(guān)影響。

　　BBSRAM存儲(chǔ)器

　　BBSRAM需要電池(一般是鋰電池)用以在外部供電出現(xiàn)故障或關(guān)斷時(shí)供電。另外，它也不可能采用回流焊工藝，因?yàn)殡姵乜赡芤虼税l(fā)生泄漏甚至爆炸。

　　BBSRAM還需遵循歐盟有害物質(zhì)限用指令(RoHS)，這可能會(huì)給設(shè)計(jì)工程師帶來極大的困難。RoHS指令在2003年2月份開始實(shí)施，是歐盟制定的一項(xiàng)法令，限制了某些電子電氣產(chǎn)品制造過程中對(duì)6種有害材料的使用。

　　雖然存在上述各種艱巨挑戰(zhàn)，若系統(tǒng)需要每秒數(shù)千次的訪問速度，BBSRAM仍不失為一種理想選擇。BBSRAM中的靜態(tài)RAM 允許無限的讀寫次數(shù)，非常適合那些需要頻繁讀寫的存儲(chǔ)器應(yīng)用。

　　BBSRAM電路大致由5個(gè)部分組成：低功耗SRAM，電壓感測(cè)電路，電池切換電路，3V的鋰離子電池或3.6V的鋰亞硫酰氯(Li-SOCI2)電池(取決于SRAM的密度和電池壽命)，可選的實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)。

　　利用這些組件，一個(gè)典型的BBSRAM模塊生產(chǎn)流程包括大約5個(gè)工藝步驟：

　　第一步：在PCB上以SMT方式安裝SRAM、控制器和電容，再進(jìn)行回流焊接。

　　第二步：電路內(nèi)測(cè)試開路 /短路。

　　第三步：手工安裝和焊接通孔鋰電池。

　　第四步：把PCBA封裝在塑料外殼中，再用環(huán)氧樹脂密封。

　　第五步：終測(cè)和封裝。

　　BBSRAM模塊圖示總結(jié)如下：

　　● 所有供應(yīng)商的雙列直插式封裝(DIP)BBSRAM模塊都是引腳兼容。

　　● 所有 BBSRAM 模塊都保證有10年的電池壽命。

　　● 備有ECOPACK 或 PowerCap 封裝以滿足對(duì)更小外形尺寸的要求。

　　● 意法半導(dǎo)體公司(STMicroelectronics) 提供有三款ECOPACK 封裝BBSRAM 模塊，容量為64Kbit 和 256Kbit 。

　　● 美信(Maxim) 提供有6款PCAP34 封裝BBSRAM 模塊，容量為256Kbit、1Mbit 和 4Mbit。

　　● 意法、美信 和德州儀器都支持3.3V 和 5V BBSRAM 模塊，速度介乎70ns 到 200ns。

　　BBSRAM典型應(yīng)用示于表1。

　　BBSRAM 為這些相關(guān)應(yīng)用提供了眾多顯著優(yōu)勢(shì)。不過，電池切換電路的存在不單帶來了相當(dāng)大的設(shè)計(jì)限制和設(shè)計(jì)漏洞，同時(shí)也帶來了重大環(huán)境問題。而越來越嚴(yán)格的環(huán)保法令(尤其是在歐盟)和商業(yè)規(guī)范，更使這些帶來環(huán)境問題的技術(shù)幾乎無容身之地。

　F-RAM存儲(chǔ)器

　　相比其它半導(dǎo)體技術(shù)選案，F(xiàn)-RAM具有眾多獨(dú)特的特性。

　　與BBSRAM相比較，F(xiàn)-RAM的優(yōu)點(diǎn)是出色的性能、可靠性和速度，且無電池羈絆。

　　成熟的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器分為兩類：易失性和非易失性。易失性存儲(chǔ)器主要包括靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(SRAM)和動(dòng)態(tài)存取存儲(chǔ)器(DRAM)。RAM型器件易于使用，性能高，但有一個(gè)共同的缺陷，就是斷電時(shí)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)會(huì)丟失。

　　另一方面，非易失性F-RAM 具有與RAM器件差不多的性能，但在電源關(guān)斷或中斷時(shí)可以保存數(shù)據(jù)。F-RAM內(nèi)的每一個(gè)存儲(chǔ)單元都包含了一片鉛鋯鈦 (PZT)鐵電薄膜，一般被稱為PZT。該晶體有兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)加載電場(chǎng)時(shí)，鋯(Zr) 或鈦(Ti)原子的位置會(huì)改變。讀取電路根據(jù)電壓差檢測(cè)出原子的極性，確定是0還是1。即使去掉電場(chǎng)之后，每一個(gè)方位仍保持在原位，從而無需定期刷新即可保存數(shù)據(jù)。

　　F-RAM集RAM 和 ROM雙方優(yōu)點(diǎn)于單個(gè)封裝內(nèi)，以其獨(dú)特的性質(zhì)(包括非凡的寫速度和高耐久性)也超越了其它非易失性存儲(chǔ)器。

　　在考慮選用F-RAM 還是 BBSRAM時(shí)，應(yīng)該對(duì)下列設(shè)計(jì)及商業(yè)參數(shù)進(jìn)行評(píng)估：

　　環(huán)保責(zé)任

　　當(dāng)今商業(yè)領(lǐng)域要求盡量減小對(duì)環(huán)境的影響。F-RAM固有的非易失特性使其性能堪比SRAM，又無需電池。相反地，BBSRAM卻必需采用電池，而電池的使用和處理將帶來潛在的環(huán)境危害，同時(shí)還會(huì)對(duì)長(zhǎng)期成本優(yōu)勢(shì)和生態(tài)影響有負(fù)面作用。

　　長(zhǎng)期成本優(yōu)勢(shì)

　　F-RAM是一種業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的可靠解決方案，具有較高的抗?jié)?、抗撞擊和抗震能力?？紤]到BBSRAM器件的成本、占位面積、制造復(fù)雜性、庫存、長(zhǎng)期維護(hù)和替換等問題， F-RAM無疑提供了更低的總體解決方案成本。

　　系統(tǒng)復(fù)雜性

　　由于無需電池及其相關(guān)硬件，并口的F-RAM IC占位面積更小?？紤]到現(xiàn)在的電子產(chǎn)品越來越緊湊，這可是一大顯著設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)。此外，在電路板制造過程中，F(xiàn)-RAM對(duì)熱分布問題并不敏感。而在BBSRAM設(shè)計(jì)中，盡管可以通過采用DIP封裝來減少或消除熱分布問題，但在手工裝配過程中，還是會(huì)產(chǎn)生一些固有問題，比如ESD和彎腳等，這些都可能使制造工藝復(fù)雜化。

　　系統(tǒng)維護(hù)

　　在掉電期間，BBSRAM 和 F-RAM都能夠進(jìn)行數(shù)千次寫操作。然而，從對(duì) BBSRAM應(yīng)用的分析可見，有一點(diǎn)是十分重要的：如果在器件使用時(shí)出現(xiàn)電池故障，便需派遣服務(wù)工程師到場(chǎng)替換部件，這就會(huì)增加勞力成本;而設(shè)備停機(jī)也會(huì)損失生產(chǎn)時(shí)間。F-RAM不僅無需更換電池，還能夠使廠房車間在供電故障排除之后仍能夠有條不紊地恢復(fù)正常工作。

　　F-RAM 和 BBSRAM存儲(chǔ)器差異之比較

　　總言之，在設(shè)計(jì)和功能方面，F(xiàn)-RAM具有超越BBSRAM的優(yōu)勢(shì)(表2)。

　應(yīng)用實(shí)例

　　F-RAM廣泛用于計(jì)量、計(jì)算、工業(yè)、科研和醫(yī)療領(lǐng)域的各種要求嚴(yán)苛的場(chǎng)合。F-RAM的獨(dú)特性質(zhì)，使它特別適合用于廣范的關(guān)鍵性任務(wù)諸如:電信應(yīng)用(如橋接、路由器和電信交換機(jī)) 和要求高可靠性和可用性的工業(yè)應(yīng)用中，作為BBSRAM的替代器件。以下將通過兩個(gè)應(yīng)用實(shí)例來說明BBSRAM 和 F-RAM之間的差異：

　　電信系統(tǒng)：大多數(shù)電信和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備都帶有一個(gè)串行“控制端口”，用以進(jìn)行初始化配置。附加配置可通過基于網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程登錄或通過該串行控制端口完成。

　　BBSRAM通常為設(shè)備提供永久性存儲(chǔ)，以存儲(chǔ)系統(tǒng)配置腳本、補(bǔ)丁和可重寫日志等信息：

　　● 保存路由器模塊最后復(fù)位以來的配置變化。

　　● 集成硬件修改與識(shí)別信息的永久性存儲(chǔ)，并記錄LAN接口的媒體訪問控制(MAC)地址。

　　舉例，當(dāng)路由器啟動(dòng)時(shí)，便會(huì)從閃存拷貝到操作系統(tǒng)，并從BBSRAM拷貝整個(gè)配置設(shè)置參數(shù)到SDRAM，直至路由器關(guān)斷。然后，它們會(huì)配置接口，并構(gòu)建自己的路由表。當(dāng)路由器有足夠信息確定數(shù)據(jù)包的發(fā)送目的地時(shí)，便會(huì)開始轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。

　　BBSRAM是一種采用了額外電路和封裝的標(biāo)準(zhǔn)易失性SRAM。去掉外部電源時(shí)，器件便會(huì)切換到電池供電模式，以維持存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。雖然SRAM也可以通過與大型電池連接變成非易失性的存儲(chǔ)器，但因?yàn)殡姵氐膲勖冀K有限，所以BBSRAM子系統(tǒng)并不是真正的非易失性器件。另外，這些子系統(tǒng)還可能因電池泄漏、受到撞擊、電池老化等等事故而出現(xiàn)故障。

　　在當(dāng)前的任務(wù)關(guān)鍵性設(shè)備中，電池被用來在特殊的工作環(huán)境條件下維持設(shè)備的使用壽命。在有些情況下，它是無法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)更換的。隨著系統(tǒng)復(fù)雜性的增加，市場(chǎng)對(duì)更大電池容量的需求在增長(zhǎng)。BBSRAM因其尺寸、可靠性和成本競(jìng)爭(zhēng)力方面的局限性，已逐漸成為日漸式微的選擇。

　　相反地，在電信和網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，F(xiàn)-RAM能夠提供以下優(yōu)勢(shì)：

　　● 以SRAM十分之一的外形尺寸提供相同的快速隨機(jī)訪問性能;

　　● 無需電池維護(hù);

　　● 與其它非易失性存儲(chǔ)器相比，故障點(diǎn)最少;

　　● 比BBSRAM 解決方案的成本低。

　　工業(yè)系統(tǒng)：BBSRAM常用于工廠自動(dòng)化等工業(yè)應(yīng)用中：

　　● 保存完整的機(jī)器設(shè)置參數(shù)，以控制機(jī)器工作;

　　● 保存工藝歷史記錄，當(dāng)供電恢復(fù)時(shí)即刻繼續(xù)運(yùn)作，確保最少中斷;

　　● 為以下更高級(jí)別的管理系統(tǒng)收集數(shù)據(jù)：監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集 (SCADA)，制造執(zhí)行系統(tǒng) (MES)，分布式控制系統(tǒng)(DCS) 。

　　工業(yè)環(huán)境下設(shè)備的典型壽命通常在10 到 20年左右。而這些應(yīng)用要求非常高的可用性和可靠性，以盡量減小計(jì)劃以內(nèi)及以外的維護(hù)運(yùn)作成本，例如是由停機(jī)或損失的生產(chǎn)時(shí)間所造成的高昂成本。

　　鑒于BBSRAM子系統(tǒng)有以下幾方面的缺陷，因而不太適合于某些應(yīng)用：

　　● 占位面積和高度：不可用于微米/納米PLC。

　　● 可靠性：大量潛在故障點(diǎn)，本身易受撞擊和震動(dòng)的影響，負(fù)電壓尖刺可能擦除SRAM 上的內(nèi)容，電池壽命問題。

　　● 數(shù)據(jù)安全性：關(guān)鍵數(shù)據(jù)可能被篡改。

　　● 安全性問題：在安全環(huán)境中也可能發(fā)生爆炸。

　　● 擁有成本高：棄置成本相當(dāng)高 – 電池的棄置方法必須符合相關(guān)規(guī)范，電池維護(hù)和停機(jī)時(shí)間所導(dǎo)致的高成本，制造復(fù)雜性(業(yè)界目前采用的一次性電池?zé)o法經(jīng)受回流焊工藝等)。

　　在這些應(yīng)用中，F(xiàn)-RAM以其高成本效益和高性能，以及對(duì)環(huán)境的影響小等優(yōu)勢(shì)，逐漸成為BBSRAM的一種替代方案。

　　結(jié)語

　　F-RAM 和 BBSRAM存儲(chǔ)器都具有特定應(yīng)用所需的重要特性。通過比較這兩種存儲(chǔ)器的功能性和設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)，可清晰看出F-RAM能夠提供更環(huán)保的設(shè)計(jì)選擇、更大的設(shè)計(jì)靈活性、長(zhǎng)期成本優(yōu)勢(shì)，以及更低的功耗及系統(tǒng)維護(hù)成本。F-RAM解決方案無需，為設(shè)計(jì)工程師提供了一個(gè)真正面向未來的選擇，有助于減少環(huán)境污染，提高成本效益。

　　在評(píng)估F-RAM存儲(chǔ)器是否是BBSRAM的可行替代方案或新設(shè)計(jì)的最佳選擇時(shí)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員應(yīng)該考慮到以下事項(xiàng)：

　　● 系統(tǒng)設(shè)計(jì)受阻于電池在尺寸、焊接工藝方面的限制嗎?

　　● BBSRAM 系統(tǒng)需要頻繁或成本高昂的現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)嗎?

　　● 設(shè)計(jì)是否易受潮濕、撞擊或震動(dòng)的影響?

　　● 存在性能可靠性問題嗎?

　　● 功耗和節(jié)能是否為重要考慮因素?

　　● 有嚴(yán)格的功率預(yù)算嗎?

　　● 設(shè)計(jì)必須遵循嚴(yán)格的環(huán)保規(guī)范嗎?

　　● 電池處理方面有潛在問題嗎?

　　● 電池存在泄漏問題嗎?

　　上述考慮事項(xiàng)將幫助工程師在F-RAM 和 BBSRAM二者間做出明智的選擇。