Электрически стираемая программируемая память: принципы и применение.
EEPROM
ЭЭПРОМ (E²PROM): энергонезависимая память для хранения небольших объемов данных в компьютерах и микроконтроллерах. Программирование и стирание в схеме.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Компьютерная память, используемая для небольшого объема данных.
Computer memory used for small quantities of data
EEPROM или E2PROM (электрически стираемая программируемая память только для чтения) — это тип энергонезависимой памяти. Она используется в компьютерах, как правило, интегрируется в микроконтроллеры, такие как смарт-карты и системы дистанционного бесключевого доступа, или в виде отдельного чипа для хранения относительно небольших объемов данных, позволяя стирать и перепрограммировать отдельные байты. EEPROM организованы в виде массивов транзисторов с плавающим затвором. Программирование и стирание EEPROM может осуществляться в схеме путем подачи специальных сигналов программирования. Изначально EEPROM были ограничены однобайтовыми операциями, что замедляло их работу, но современные EEPROM поддерживают многобайтовые операции со страницами. EEPROM имеет ограниченный срок службы по количеству циклов стирания и перепрограммирования, достигающий миллиона операций в современных устройствах. В EEPROM, подвергающейся частой перепрограмме, срок службы является важным фактором при проектировании. Флэш-память — это тип EEPROM, разработанный для высокой скорости и плотности, но за счет больших блоков стирания (обычно 512 байт и более) и ограниченного числа циклов записи (часто 10 000). Четкой границы между ними нет, но термин «EEPROM» обычно используется для обозначения энергонезависимой памяти с небольшими блоками стирания (вплоть до одного байта) и длительным сроком службы (обычно 1 000 000 циклов). Многие старые микроконтроллеры включали оба типа памяти (флэш-память для прошивки и небольшую EEPROM для параметров), хотя современная тенденция заключается в эмуляции EEPROM с помощью флэш-памяти. По состоянию на 2020 год флэш-память значительно дешевле байтно-программируемой EEPROM и является доминирующим типом памяти везде, где системе требуется значительный объем энергонезависимого твердотельного хранилища. Тем не менее, EEPROM по-прежнему используются в приложениях, требующих небольшого объема памяти, например, в системах Serial Presence Detect.
EEPROM or E2PROM (electrically erasable programmable read only memory) is a type of non volatile memory. It is used in computers, usually integrated in microcontrollers such as smart cards and remote keyless systems, or as a separate chip device, to store relatively small amounts of data by allowing individual bytes to be erased and reprogrammed. EEPROMs are organized as arrays of floating gate transistors. EEPROMs can be programmed and erased in circuit, by applying special programming signals. Originally, EEPROMs were limited to single byte operations, which made them slower, but modern EEPROMs allow multi byte page operations. An EEPROM has a limited life for erasing and reprogramming, reaching a million operations in modern EEPROMs. In an EEPROM that is frequently reprogrammed, the life of the EEPROM is an important design consideration. Flash memory is a type of EEPROM designed for high speed and high density, at the expense of large erase blocks (typically 512 bytes or larger) and limited number of write cycles (often 10,000). There is no clear boundary dividing the two, but the term "EEPROM" is generally used to describe non volatile memory with small erase blocks (as small as one byte) and a long lifetime (typically 1,000,000 cycles). Many past microcontrollers included both (flash memory for the firmware and a small EEPROM for parameters), though the trend with modern microcontrollers is to emulate EEPROM using flash. As of 2020, flash memory costs much less than byte programmable EEPROM and is the dominant memory type wherever a system requires a significant amount of non volatile solid state storage. EEPROMs, however, are still used on applications that only require small amounts of storage, like in serial presence detect.
Теоретическая основа структуры FLOTOX
Как описано в предыдущем разделе, старые EEPROM основаны на горячей инжекции носителей, вызванной лавинным пробоем, и характеризуются высоким напряжением обратного пробоя. Однако теоретическая основа FLOTOX – туннельный эффект горячих носителей через тонкий слой диоксида кремния между плавающим затвором и подложкой. Иными словами, используется туннельный переход. Теоретическая основа самого физического явления аналогична современной флэш-памяти. Но каждая структура FLOTOX работает в связке с дополнительным транзистором управления чтением, поскольку плавающий затвор сам по себе предназначен для программирования и стирания только одного бита данных. Структура устройства FLOTOX, разработанная Intel, повысила надежность EEPROM, то есть долговечность циклов записи-стирания и срок хранения данных. Имеются материалы для изучения влияния одиночных событий на FLOTOX. В настоящее время подробное академическое описание структуры устройства FLOTOX можно найти в различных источниках.
As is described in former section, old EEPROMs are based on avalanche breakdown based hot carrier injection with high reverse breakdown voltage. But FLOTOX theoretical basis is Fowler–Nordheim tunneling hot carrier injection through a thin silicon dioxide layer between the floating gate and the wafer. In other words, it uses a tunnel junction. Theoretical basis of the physical phenomenon itself is the same as today's flash memory. But each FLOTOX structure is in conjunction with another read control transistor because the floating gate itself is just programming and erasing one data bit. Intel's FLOTOX device structure improved EEPROM reliability, in other words, the endurance of the write and erase cycles, and the data retention period. A material of study for single event effect about FLOTOX is available. Today, a detailed academical explanation of FLOTOX device structure can be found in various materials.
Сегодняшняя структура EEPROM
В настоящее время EEPROM используется как во встроенных микроконтроллерах, так и в стандартных изделиях EEPROM. Для стирания отдельного байта памяти EEPROM по-прежнему требуется двухтранзисторная структура на бит, в то время как для стирания области памяти во флэш-памяти достаточно одного транзистора на бит.
Nowadays, EEPROM is used for embedded microcontrollers as well as standard EEPROM products. EEPROM still requires a 2 transistor structure per bit to erase a dedicated byte in the memory, while flash memory has 1 transistor per bit to erase a region of the memory.
Защита безопасности
Поскольку технология EEPROM используется в некоторых устройствах безопасности, таких как кредитные карты, SIM-карты, системы бесключевого доступа и т.п., некоторые из них оснащены механизмами защиты, например, защита от копирования.
Because EEPROM technology is used for some security gadgets, such as credit cards, SIM cards, key less entry, etc., some devices have security protection mechanisms, such as copy protection.
Электрический интерфейс
EEPROM-устройства используют последовательный или параллельный интерфейс для ввода-вывода данных.
EEPROM devices use a serial or parallel interface for data input/output.
Параллельные шины
Параллельные EEPROM-устройства обычно имеют 8-битную шину данных и адресную шину, достаточно широкую для охвата всего объема памяти. Большинство устройств оснащены линиями выбора и защиты от записи. Некоторые микроконтроллеры также имеют встроенную параллельную EEPROM. Работа с параллельной EEPROM проще и быстрее по сравнению с последовательной EEPROM, однако эти устройства более крупные из-за большего числа выводов (28 выводов и более) и постепенно теряют популярность, уступая место последовательной EEPROM или флэш-памяти.
Parallel EEPROM devices typically have an 8 bit data bus and an address bus wide enough to cover the complete memory. Most devices have chip select and write protect pins. Some microcontrollers also have integrated parallel EEPROM. Operation of a parallel EEPROM is simple and fast when compared to serial EEPROM, but these devices are larger due to the higher pin count (28 pins or more) and have been decreasing in popularity in favor of serial EEPROM or flash.
Другие устройства
EEPROM-память используется для реализации функций в других типах продукции, которые сами по себе не являются устройствами памяти. Такие продукты, как часы реального времени, цифровые потенциометры, цифровые датчики температуры и другие, могут содержать небольшие объемы EEPROM для хранения калибровочных данных или другой информации, которую необходимо сохранять даже при отключении питания. Ранее она также применялась в картриджах для видеоигр для сохранения прогресса и настроек, до того как получили распространение внешняя и внутренняя флэш-память.
EEPROM memory is used to enable features in other types of products that are not strictly memory products. Products such as real time clocks, digital potentiometers, digital temperature sensors, among others, may have small amounts of EEPROM to store calibration information or other data that needs to be available in the event of power loss. It was also used on video game cartridges to save game progress and configurations, before the usage of external and internal flash memories.
Режимы отказов
Есть два ограничения хранимой информации: стойкость и время хранения данных. Во время перезаписи оксид затвора в транзисторах с плавающим затвором постепенно накапливает захваченные электроны. Электрическое поле захваченных электронов усиливает заряд в плавающем затворе, уменьшая разницу между пороговыми напряжениями, соответствующих логическим нулю и единице. После достаточного количества циклов перезаписи эта разница становится слишком малой для распознавания, ячейка застревает в запрограммированном состоянии, и происходит отказ по стойкости. Производители обычно указывают максимальное количество циклов перезаписи в 1 миллион или более. Во время хранения электроны, инжектированные в плавающий затвор, могут перемещаться через изолятор, особенно при повышенной температуре, что приводит к потере заряда и возврату ячейки в стертое состояние. Производители обычно гарантируют время хранения данных в течение 10 лет и более.
There are two limitations of stored information: endurance and data retention. During rewrites, the gate oxide in the floating gate transistors gradually accumulates trapped electrons. The electric field of the trapped electrons adds to the electrons in the floating gate, lowering the window between threshold voltages for zeros vs ones. After sufficient number of rewrite cycles, the difference becomes too small to be recognizable, the cell is stuck in programmed state, and endurance failure occurs. The manufacturers usually specify the maximum number of rewrites being 1 million or more. During storage, the electrons injected into the floating gate may drift through the insulator, especially at increased temperature, and cause charge loss, reverting the cell into erased state. The manufacturers usually guarantee data retention of 10 years or more.
Сродственные типы
Флэш-память — более поздняя форма EEPROM. В индустрии сложилась практика резервировать термин EEPROM для памяти, стираемой побайтно, в отличие от флэш-памяти, стираемой блоками. EEPROM занимает большую площадь кристалла, чем флэш-память, при одинаковой емкости, поскольку для каждой ячейки обычно требуется транзистор для чтения, записи и стирания, в то время как схемы стирания во флэш-памяти используются большими блоками ячеек (часто 512×8). Новые энергонезависимые технологии памяти, такие как FeRAM и MRAM, постепенно заменяют EEPROM в некоторых областях применения, но, как ожидается, в обозримом будущем они останутся небольшой частью рынка EEPROM.
Flash memory is a later form of EEPROM. In the industry, there is a convention to reserve the term EEPROM to byte wise erasable memories compared to block wise erasable flash memories. EEPROM occupies more die area than flash memory for the same capacity, because each cell usually needs a read, a write, and an erase transistor, while flash memory erase circuits are shared by large blocks of cells (often 512×8). Newer non volatile memory technologies such as FeRAM and MRAM are slowly replacing EEPROMs in some applications, but are expected to remain a small fraction of the EEPROM market for the foreseeable future.
Сравнение с EPROM и EEPROM/flash
Разница между EPROM и EEPROM заключается в способе программирования и стирания памяти. EEPROM может быть запрограммирована и стерта электрически с использованием полевой электронной эмиссии (более известной в отрасли как "туннелирование Фоулера — Нордхайма"). EPROM не может быть стерта электрически и программируется путем инжекции горячих носителей на плавающий затвор. Стирание происходит с помощью источника ультрафиолетового света, хотя на практике многие EPROM-микросхемы помещаются в корпус из пластика, непрозрачного для УФ-излучения, что делает их "однократно программируемыми". Большинство флэш-памяти NOR имеют гибридную структуру: программирование осуществляется инжекцией горячих носителей, а стирание — с помощью туннелирования Фоулера — Нордхайма.
The difference between EPROM and EEPROM lies in the way that the memory programs and erases. EEPROM can be programmed and erased electrically using field electron emission (more commonly known in the industry as "Fowler–Nordheim tunneling"). EPROMs can't be erased electrically and are programmed by hot carrier injection onto the floating gate. Erase is by an ultraviolet light source, although in practice many EPROMs are encapsulated in plastic that is opaque to UV light, making them "one time programmable". Most NOR flash memory is a hybrid style—programming is through hot carrier injection and erase is through Fowler–Nordheim tunneling. Type Inject electrons onto gate(mostly interpreted as bit=0) Duration Remove electrons from gate(mostly interpreted as bit=1) Duration/mode EEPROM field electron emission 0.1—5 ms, bytewise field electron emission 0.1—5 ms, blockwise NOR flash memory hot carrier injection 0.01—1 ms field electron emission 0.01—1 ms, blockwise EPROM hot carrier injection 3—50 ms, bytewise UV light 5—30 minutes, whole chip
Тип | Впрыскивание электронов в затвор (обычно интерпретируется как бит = 0) | Длительность | Удаление электронов из затвора (обычно интерпретируется как бит = 1) | Длительность / режим
---|---|---|---|---
EEPROM | Полевая электронная эмиссия | 0,1–5 мс, побайтно | Полевая электронная эмиссия | 0,1–5 мс, блоками
NOR флэш-память | Инжекция горячих носителей | 0,01–1 мс | Полевая электронная эмиссия | 0,01–1 мс, блоками
EPROM | Инжекция горячих носителей | 3–50 мс, побайтно | Ультрафиолетовый свет | 5–30 минут, вся микросхема
The difference between EPROM and EEPROM lies in the way that the memory programs and erases. EEPROM can be programmed and erased electrically using field electron emission (more commonly known in the industry as "Fowler–Nordheim tunneling"). EPROMs can't be erased electrically and are programmed by hot carrier injection onto the floating gate. Erase is by an ultraviolet light source, although in practice many EPROMs are encapsulated in plastic that is opaque to UV light, making them "one time programmable". Most NOR flash memory is a hybrid style—programming is through hot carrier injection and erase is through Fowler–Nordheim tunneling. Type Inject electrons onto gate(mostly interpreted as bit=0) Duration Remove electrons from gate(mostly interpreted as bit=1) Duration/mode EEPROM field electron emission 0.1—5 ms, bytewise field electron emission 0.1—5 ms, blockwise NOR flash memory hot carrier injection 0.01—1 ms field electron emission 0.01—1 ms, blockwise EPROM hot carrier injection 3—50 ms, bytewise UV light 5—30 minutes, whole chip