存储器分类及各自优劣势介绍
每一次神舟载人飞船和spacex卫星的发射升空，都能吸引众多人关注。对于这些神秘的航天飞行器，你知道它们的信息都是怎么处理的吗?航天飞行器信息的处理依靠cpu/fpga，而指令的执行则凭借存储器。目前市场上大多数售卖主芯片的厂商都是靠存储器起家的。excelpoint世健公司的工程师wolfe yu在此对存储的分类以及它们各自的优劣进行了科普介绍。
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
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)是一种半导体存储器，主要的作用原理是利用电容内存储电荷来代表一个二进制比特(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 proasic3/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。
关于世健
亚太区领先的元器件授权代理商
世健(excelpoint)是完整解决方案的供应商，为亚洲电子厂商包括原设备生产商(oem)、原设计生产商(odm)和电子制造服务提供商(ems)提供优质的元器件、工程设计及供应链管理服务。
世健是新加坡主板上市公司，拥有超过30年历史。世健中国区总部设于香港，目前在中国拥有十多家分公司和办事处，遍及中国主要大中型城市。凭借专业的研发团队、顶尖的现场应用支持以及丰富的市场经验，世健在中国业内享有领先地位。
原文标题：【世说芯语】主控芯片cpu/fpga存储及单粒子翻转科普
文章出处：【微信公众号：excelpoint世健】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。
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半导体存储器功能分类
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图1 rom重新上电信息保留
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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。
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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
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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。
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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 proasic3/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
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关于世健
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世健是新加坡主板上市公司，拥有超过30年历史。世健中国区总部设于香港，目前在中国拥有十多家分公司和办事处，遍及中国主要大中型城市。凭借专业的研发团队、顶尖的现场应用支持以及丰富的市场经验，世健在中国业内享有领先地位。
原文标题：【世说芯语】主控芯片cpu/fpga存储及单粒子翻转科普
文章出处：【微信公众号：excelpoint世健】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。
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场效应管怎么测量好坏