F-RAM與BBSRAM功能和系統設計之比較

　引言

　　高性能和環保是當前技術創新的兩大要求。二者共同推動半導體元器件的發展，同時也為全球眾多企業和消費者所耳熟能詳。

　　若系統設計需要采用半導體存儲器技術，工程師有(但不限于)以下選擇：電池備份靜態隨機存儲器(battery backed static random access memory, BBSRAM);非易失性SRAM;鐵電隨機存取存儲器(F-RAM);以及其它noVRAM技術。在從工廠自動化和電信到計量和醫療技術的每一種應用中，要確定最適合的存儲器選擇，是一項重要的設計考慮事項。

　　本文將闡釋F-RAM 和 BBSRAM存儲器之間的功能差異和設計差異。本文還會特別強調F-RAM如何能夠為設計人員提供具備成本優勢和更簡化的系統及維護的前瞻性的環保選擇方案。

　　在許多數據記錄應用中，BBSRAM存儲器都扮演了重負荷芯片的角色。BBSRAM易于使用，耐久性高，寫入速度快，但它的最大缺點是需要電池。而電池既給環境造成有害影響，也給設計和系統帶來障礙。

　　而F-RAM是一種成熟的半導體技術，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，性能堪比SRAM，卻又無需電池，這些都在設計和功能方面為工程師提供了顯著的優勢。

　　去掉電池還有助于工程師在系統設計中節省空間。只要采用F-RAM，就不必為擔心電池受標準焊接工藝損害而對之進行專門處理，從而節省成本。在當今環保意識高漲的全球文化氛圍中，F-RAM無需電池更換和處理工序，減少了電池帶來的污染，是一種更為環保的解決方案。

　　下文將對F-RAM 和 BBSRAM進行了比較分析，強調了這兩種存儲器選擇之間的功能和設計差異，以及它們對生態、成本和性能的相關影響。

　　BBSRAM存儲器

　　BBSRAM需要電池(一般是鋰電池)用以在外部供電出現故障或關斷時供電。另外，它也不可能采用回流焊工藝，因為電池可能因此發生泄漏甚至爆炸。

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

　　雖然存在上述各種艱巨挑戰，若系統需要每秒數千次的訪問速度，BBSRAM仍不失為一種理想選擇。BBSRAM中的靜態RAM 允許無限的讀寫次數，非常適合那些需要頻繁讀寫的存儲器應用。

　　BBSRAM電路大致由5個部分組成：低功耗SRAM，電壓感測電路，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)，可選的實時時鐘(RTC)。

　　利用這些組件，一個典型的BBSRAM模塊生產流程包括大約5個工藝步驟：

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

　　第二步：電路內測試開路 /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，再用環氧樹脂密封。

　　第五步：終測和封裝。

　　BBSRAM模塊圖示總結如下：

　　● 所有供應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 封裝以滿足對更小外形尺寸的要求。

　　● 意法半導體公司(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典型應用示于表1。

　　BBSRAM 為這些相關應用提供了眾多顯著優勢。不過，電池切換電路的存在不單帶來了相當大的設計限制和設計漏洞，同時也帶來了重大環境問題。而越來越嚴格的環保法令(尤其是在歐盟)和商業規范，更使這些帶來環境問題的技術幾乎無容身之地。

　F-RAM存儲器

　　相比其它半導體技術選案，F-RAM具有眾多獨特的特性。

　　與BBSRAM相比較，F-RAM的優點是出色的性能、可靠性和速度，且無電池羈絆。

　　成熟的半導體存儲器分為兩類：易失性和非易失性。易失性存儲器主要包括靜態隨機存取存儲器(SRAM)和動態存取存儲器(DRAM)。RAM型器件易于使用，性能高，但有一個共同的缺陷，就是斷電時存儲數據會丟失。

　　另一方面，非易失性F-RAM 具有與RAM器件差不多的性能，但在電源關斷或中斷時可以保存數據。F-RAM內的每一個存儲單元都包含了一片鉛鋯鈦 (PZT)鐵電薄膜，一般被稱為PZT。該晶體有兩個穩定狀態。當加載電場時，鋯(Zr) 或鈦(Ti)原子的位置會改變。讀取電路根據電壓差檢測出原子的極性，確定是0還是1。即使去掉電場之后，每一個方位仍保持在原位，從而無需定期刷新即可保存數據。

　　F-RAM集RAM 和 ROM雙方優點于單個封裝內，以其獨特的性質(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器。

　　在考慮選用F-RAM 還是 BBSRAM時，應該對下列設計及商業參數進行評估：

　　環保責任

　　當今商業領域要求盡量減小對環境的影響。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境危害，同時還會對長期成本優勢和生態影響有負面作用。

　　長期成本優勢

　　F-RAM是一種業界標準的可靠解決方案，具有較高的抗濕、抗撞擊和抗震能力。考慮到BBSRAM器件的成本、占位面積、制造復雜性、庫存、長期維護和替換等問題， F-RAM無疑提供了更低的總體解決方案成本。

　　系統復雜性

　　由于無需電池及其相關硬件，并口的F-RAM IC占位面積更小。考慮到現在的電子產品越來越緊湊，這可是一大顯著設計優勢。此外，在電路板制造過程中，F-RAM對熱分布問題并不敏感。而在BBSRAM設計中，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，還是會產生一些固有問題，比如ESD和彎腳等，這些都可能使制造工藝復雜化。

　　系統維護

　　在掉電期間，BBSRAM 和 F-RAM都能夠進行數千次寫操作。然而，從對 BBSRAM應用的分析可見，有一點是十分重要的：如果在器件使用時出現電池故障，便需派遣服務工程師到場替換部件，這就會增加勞力成本;而設備停機也會損失生產時間。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正常工作。

　　F-RAM 和 BBSRAM存儲器差異之比較

　　總言之，在設計和功能方面，F-RAM具有超越BBSRAM的優勢(表2)。

　應用實例

　　F-RAM廣泛用于計量、計算、工業、科研和醫療領域的各種要求嚴苛的場合。F-RAM的獨特性質，使它特別適合用于廣范的關鍵性任務諸如:電信應用(如橋接、路由器和電信交換機) 和要求高可靠性和可用性的工業應用中，作為BBSRAM的替代器件。以下將通過兩個應用實例來說明BBSRAM 和 F-RAM之間的差異：

　　電信系統：大多數電信和網絡設備都帶有一個串行“控制端口”，用以進行初始化配置。附加配置可通過基于網絡的遠程登錄或通過該串行控制端口完成。

　　BBSRAM通常為設備提供永久性存儲，以存儲系統配置腳本、補丁和可重寫日志等信息：

　　● 保存路由器模塊最后復位以來的配置變化。

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

　　舉例，當路由器啟動時，便會從閃存拷貝到操作系統，并從BBSRAM拷貝整個配置設置參數到SDRAM，直至路由器關斷。然后，它們會配置接口，并構建自己的路由表。當路由器有足夠信息確定數據包的發送目的地時，便會開始轉發數據包。

　　BBSRAM是一種采用了額外電路和封裝的標準易失性SRAM。去掉外部電源時，器件便會切換到電池供電模式，以維持存儲的數據。雖然SRAM也可以通過與大型電池連接變成非易失性的存儲器，但因為電池的壽命始終有限，所以BBSRAM子系統并不是真正的非易失性器件。另外，這些子系統還可能因電池泄漏、受到撞擊、電池老化等等事故而出現故障。

　　在當前的任務關鍵性設備中，電池被用來在特殊的工作環境條件下維持設備的使用壽命。在有些情況下，它是無法進行現場更換的。隨著系統復雜性的增加，市場對更大電池容量的需求在增長。BBSRAM因其尺寸、可靠性和成本競爭力方面的局限性，已逐漸成為日漸式微的選擇。

　　相反地，在電信和網絡領域，F-RAM能夠提供以下優勢：

　　● 以SRAM十分之一的外形尺寸提供相同的快速隨機訪問性能;

　　● 無需電池維護;

　　● 與其它非易失性存儲器相比，故障點最少;

　　● 比BBSRAM 解決方案的成本低。

　　工業系統：BBSRAM常用于工廠自動化等工業應用中：

　　● 保存完整的機器設置參數，以控制機器工作;

　　● 保存工藝歷史記錄，當供電恢復時即刻繼續運作，確保最少中斷;

　　● 為以下更高級別的管理系統收集數據：監控和數據采集 (SCADA)，制造執行系統 (MES)，分布式控制系統(DCS) 。

　　工業環境下設備的典型壽命通常在10 到 20年左右。而這些應用要求非常高的可用性和可靠性，以盡量減小計劃以內及以外的維護運作成本，例如是由停機或損失的生產時間所造成的高昂成本。

　　鑒于BBSRAM子系統有以下幾方面的缺陷，因而不太適合于某些應用：

　　● 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，本身易受撞擊和震動的影響，負電壓尖刺可能擦除SRAM 上的內容，電池壽命問題。

　　● 數據安全性：關鍵數據可能被篡改。

　　● 安全性問題：在安全環境中也可能發生爆炸。

　　● 擁有成本高：棄置成本相當高 – 電池的棄置方法必須符合相關規范，電池維護和停機時間所導致的高成本，制造復雜性(業界目前采用的一次性電池無法經受回流焊工藝等)。

　　在這些應用中，F-RAM以其高成本效益和高性能，以及對環境的影響小等優勢，逐漸成為BBSRAM的一種替代方案。

　　結語

　　F-RAM 和 BBSRAM存儲器都具有特定應用所需的重要特性。通過比較這兩種存儲器的功能性和設計優勢，可清晰看出F-RAM能夠提供更環保的設計選擇、更大的設計靈活性、長期成本優勢，以及更低的功耗及系統維護成本。F-RAM解決方案無需，為設計工程師提供了一個真正面向未來的選擇，有助于減少環境污染，提高成本效益。

　　在評估F-RAM存儲器是否是BBSRAM的可行替代方案或新設計的最佳選擇時，系統設計人員應該考慮到以下事項：

　　● 系統設計受阻于電池在尺寸、焊接工藝方面的限制嗎?

　　● BBSRAM 系統需要頻繁或成本高昂的現場維護嗎?

　　● 設計是否易受潮濕、撞擊或震動的影響?

　　● 存在性能可靠性問題嗎?

　　● 功耗和節能是否為重要考慮因素?

　　● 有嚴格的功率預算嗎?

　　● 設計必須遵循嚴格的環保規范嗎?

　　● 電池處理方面有潛在問題嗎?

　　● 電池存在泄漏問題嗎?

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