F-RAM与BBSRAM功能和系统设计之比较

F-RAM与BBSRAM功能和系统设计之比较

　引言

　　高性能和环保是当前技术创新的两大要求。二者共同推动半导体元器件的发展，同时也为全球众多企业和消费者所耳熟能详。

　　若系统设计需要采用半导体存储器技术，工程师有(但不限于)以下选择：电池备份静态随机存储器(battery backed static random access memory, BBSRAM);非易失性SRAM;铁电随机存取存储器(F-RAM);以及其它noVRAM技术。在从工厂自动化和电信到计量和医疗技术的每一种应用中，要确定最适合的存储器选择，是一项重要的设计考虑事项。

　　本文将阐释F-RAM 和 BBSRAM存储器之间的功能差异和设计差异。本文还会特别强调F-RAM如何能够为设计人员提供具备成本优势和更简化的系统及维护的前瞻性的环保选择方案。

　　在许多数据记录应用中，BBSRAM存储器都扮演了重负荷芯片的角色。BBSRAM易于使用，耐久性高，写入速度快，但它的最大缺点是需要电池。而电池既给环境造成有害影响，也给设计和系统带来障碍。

　　而F-RAM是一种成熟的半导体技术，具有写入速度极快、耐久性高和功耗超低等特性。F-RAM固有非易失性的特点，性能堪比SRAM，却又无需电池，这些都在设计和功能方面为工程师提供了显著的优势。

　　去掉电池还有助于工程师在系统设计中节省空间。只要采用F-RAM，就不必为担心电池受标准焊接工艺损害而对之进行专门处理，从而节省成本。在当今环保意识高涨的全球文化氛围中，F-RAM无需电池更换和处理工序，减少了电池带来的污染，是一种更为环保的解决方案。

　　下文将对F-RAM 和 BBSRAM进行了比较分析，强调了这两种存储器选择之间的功能和设计差异，以及它们对生态、成本和性能的相关影响。

　　BBSRAM存储器

　　BBSRAM需要电池(一般是锂电池)用以在外部供电出现故障或关断时供电。另外，它也不可能采用回流焊工艺，因为电池可能因此发生泄漏甚至爆炸。

　　BBSRAM还需遵循欧盟有害物质限用指令(RoHS)，这可能会给设计工程师带来极大的困难。RoHS指令在2003年2月份开始实施，是欧盟制定的一项法令，限制了某些电子电气产品制造过程中对6种有害材料的使用。

　　虽然存在上述各种艰巨挑战，若系统需要每秒数千次的访问速度，BBSRAM仍不失为一种理想选择。BBSRAM中的静态RAM 允许无限的读写次数，非常适合那些需要频繁读写的存储器应用。

　　BBSRAM电路大致由5个部分组成：低功耗SRAM，电压感测电路，电池切换电路，3V的锂离子电池或3.6V的锂亚硫酰氯(Li-SOCI2)电池(取决于SRAM的密度和电池寿命)，可选的实时时钟(RTC)。

　　利用这些组件，一个典型的BBSRAM模块生产流程包括大约5个工艺步骤：

　　第一步：在PCB上以SMT方式安装SRAM、控制器和电容，再进行回流焊接。

　　第二步：电路内测试开路 /短路。

　　第三步：手工安装和焊接通孔锂电池。

　　第四步：把PCBA封装在塑料外壳中，再用环氧树脂密封。

　　第五步：终测和封装。

　　BBSRAM模块图示总结如下：

　　● 所有供应商的双列直插式封装(DIP)BBSRAM模块都是引脚兼容。

　　● 所有 BBSRAM 模块都保证有10年的电池寿命。

　　● 备有ECOPACK 或 PowerCap 封装以满足对更小外形尺寸的要求。

　　● 意法半导体公司(STMicroelectronics) 提供有三款ECOPACK 封装BBSRAM 模块，容量为64Kbit 和 256Kbit 。

　　● 美信(Maxim) 提供有6款PCAP34 封装BBSRAM 模块，容量为256Kbit、1Mbit 和 4Mbit。

　　● 意法、美信 和德州仪器都支持3.3V 和 5V BBSRAM 模块，速度介乎70ns 到 200ns。

　　BBSRAM典型应用示于表1。

　　BBSRAM 为这些相关应用提供了众多显著优势。不过，电池切换电路的存在不单带来了相当大的设计限制和设计漏洞，同时也带来了重大环境问题。而越来越严格的环保法令(尤其是在欧盟)和商业规范，更使这些带来环境问题的技术几乎无容身之地。

　F-RAM存储器

　　相比其它半导体技术选案，F-RAM具有众多独特的特性。

　　与BBSRAM相比较，F-RAM的优点是出色的性能、可靠性和速度，且无电池羁绊。

　　成熟的半导体存储器分为两类：易失性和非易失性。易失性存储器主要包括静态随机存取存储器(SRAM)和动态存取存储器(DRAM)。RAM型器件易于使用，性能高，但有一个共同的缺陷，就是断电时存储数据会丢失。

　　另一方面，非易失性F-RAM 具有与RAM器件差不多的性能，但在电源关断或中断时可以保存数据。F-RAM内的每一个存储单元都包含了一片铅锆钛 (PZT)铁电薄膜，一般被称为PZT。该晶体有两个稳定状态。当加载电场时，锆(Zr) 或钛(Ti)原子的位置会改变。读取电路根据电压差检测出原子的极性，确定是0还是1。即使去掉电场之后，每一个方位仍保持在原位，从而无需定期刷新即可保存数据。

　　F-RAM集RAM 和 ROM双方优点于单个封装内，以其独特的性质(包括非凡的写速度和高耐久性)也超越了其它非易失性存储器。

　　在考虑选用F-RAM 还是 BBSRAM时，应该对下列设计及商业参数进行评估：

　　环保责任

　　当今商业领域要求尽量减小对环境的影响。F-RAM固有的非易失特性使其性能堪比SRAM，又无需电池。相反地，BBSRAM却必需采用电池，而电池的使用和处理将带来潜在的环境危害，同时还会对长期成本优势和生态影响有负面作用。

　　长期成本优势

　　F-RAM是一种业界标准的可靠解决方案，具有较高的抗湿、抗撞击和抗震能力。考虑到BBSRAM器件的成本、占位面积、制造复杂性、库存、长期维护和替换等问题， F-RAM无疑提供了更低的总体解决方案成本。

　　系统复杂性

　　由于无需电池及其相关硬件，并口的F-RAM IC占位面积更小。考虑到现在的电子产品越来越紧凑，这可是一大显著设计优势。此外，在电路板制造过程中，F-RAM对热分布问题并不敏感。而在BBSRAM设计中，尽管可以通过采用DIP封装来减少或消除热分布问题，但在手工装配过程中，还是会产生一些固有问题，比如ESD和弯脚等，这些都可能使制造工艺复杂化。

　　系统维护

　　在掉电期间，BBSRAM 和 F-RAM都能够进行数千次写操作。然而，从对 BBSRAM应用的分析可见，有一点是十分重要的：如果在器件使用时出现电池故障，便需派遣服务工程师到场替换部件，这就会增加劳力成本;而设备停机也会损失生产时间。F-RAM不仅无需更换电池，还能够使厂房车间在供电故障排除之后仍能够有条不紊地恢复正常工作。

　　F-RAM 和 BBSRAM存储器差异之比较

　　总言之，在设计和功能方面，F-RAM具有超越BBSRAM的优势(表2)。

　应用实例

　　F-RAM广泛用于计量、计算、工业、科研和医疗领域的各种要求严苛的场合。F-RAM的独特性质，使它特别适合用于广范的关键性任务诸如:电信应用(如桥接、路由器和电信交换机) 和要求高可靠性和可用性的工业应用中，作为BBSRAM的替代器件。以下将通过两个应用实例来说明BBSRAM 和 F-RAM之间的差异：

　　电信系统：大多数电信和网络设备都带有一个串行“控制端口”，用以进行初始化配置。附加配置可通过基于网络的远程登录或通过该串行控制端口完成。

　　BBSRAM通常为设备提供永久性存储，以存储系统配置脚本、补丁和可重写日志等信息：

　　● 保存路由器模块最后复位以来的配置变化。

　　● 集成硬件修改与识别信息的永久性存储，并记录LAN接口的媒体访问控制(MAC)地址。

　　举例，当路由器启动时，便会从闪存拷贝到操作系统，并从BBSRAM拷贝整个配置设置参数到SDRAM，直至路由器关断。然后，它们会配置接口，并构建自己的路由表。当路由器有足够信息确定数据包的发送目的地时，便会开始转发数据包。

　　BBSRAM是一种采用了额外电路和封装的标准易失性SRAM。去掉外部电源时，器件便会切换到电池供电模式，以维持存储的数据。虽然SRAM也可以通过与大型电池连接变成非易失性的存储器，但因为电池的寿命始终有限，所以BBSRAM子系统并不是真正的非易失性器件。另外，这些子系统还可能因电池泄漏、受到撞击、电池老化等等事故而出现故障。

　　在当前的任务关键性设备中，电池被用来在特殊的工作环境条件下维持设备的使用寿命。在有些情况下，它是无法进行现场更换的。随着系统复杂性的增加，市场对更大电池容量的需求在增长。BBSRAM因其尺寸、可靠性和成本竞争力方面的局限性，已逐渐成为日渐式微的选择。

　　相反地，在电信和网络领域，F-RAM能够提供以下优势：

　　● 以SRAM十分之一的外形尺寸提供相同的快速随机访问性能;

　　● 无需电池维护;

　　● 与其它非易失性存储器相比，故障点最少;

　　● 比BBSRAM 解决方案的成本低。

　　工业系统：BBSRAM常用于工厂自动化等工业应用中：

　　● 保存完整的机器设置参数，以控制机器工作;

　　● 保存工艺历史记录，当供电恢复时即刻继续运作，确保最少中断;

　　● 为以下更高级别的管理系统收集数据：监控和数据采集 (SCADA)，制造执行系统 (MES)，分布式控制系统(DCS) 。

　　工业环境下设备的典型寿命通常在10 到 20年左右。而这些应用要求非常高的可用性和可靠性，以尽量减小计划以内及以外的维护运作成本，例如是由停机或损失的生产时间所造成的高昂成本。

　　鉴于BBSRAM子系统有以下几方面的缺陷，因而不太适合于某些应用：

　　● 占位面积和高度：不可用于微米/纳米PLC。

　　● 可靠性：大量潜在故障点，本身易受撞击和震动的影响，负电压尖刺可能擦除SRAM 上的内容，电池寿命问题。

　　● 数据安全性：关键数据可能被篡改。

　　● 安全性问题：在安全环境中也可能发生爆炸。

　　● 拥有成本高：弃置成本相当高 – 电池的弃置方法必须符合相关规范，电池维护和停机时间所导致的高成本，制造复杂性(业界目前采用的一次性电池无法经受回流焊工艺等)。

　　在这些应用中，F-RAM以其高成本效益和高性能，以及对环境的影响小等优势，逐渐成为BBSRAM的一种替代方案。

　　结语

　　F-RAM 和 BBSRAM存储器都具有特定应用所需的重要特性。通过比较这两种存储器的功能性和设计优势，可清晰看出F-RAM能够提供更环保的设计选择、更大的设计灵活性、长期成本优势，以及更低的功耗及系统维护成本。F-RAM解决方案无需，为设计工程师提供了一个真正面向未来的选择，有助于减少环境污染，提高成本效益。

　　在评估F-RAM存储器是否是BBSRAM的可行替代方案或新设计的最佳选择时，系统设计人员应该考虑到以下事项：

　　● 系统设计受阻于电池在尺寸、焊接工艺方面的限制吗?

　　● BBSRAM 系统需要频繁或成本高昂的现场维护吗?

　　● 设计是否易受潮湿、撞击或震动的影响?

　　● 存在性能可靠性问题吗?

　　● 功耗和节能是否为重要考虑因素?

　　● 有严格的功率预算吗?

　　● 设计必须遵循严格的环保规范吗?

　　● 电池处理方面有潜在问题吗?

　　● 电池存在泄漏问题吗?

　　上述考虑事项将帮助工程师在F-RAM 和 BBSRAM二者间做出明智的选择。