過去三十年來，工程師由於結合電池與靜態RAM，能在刻意與意外斷電情形時，讓系統仍可保護資料。最初業界採用內建低密度記憶體電路的分立式解決方案，及單純的電池技術，搭配分立式電源感測與切換電路。效能向來是業界面臨的挑戰之一。為配合低功耗要求，藉以延長電池供電記憶體的運作時間，此類元件都會設計較慢的存取時間。雖然電池有限的容量值得商確，但這已是過去的解決方案。幸運的是，現在已有顯著的改良設計，聰明的工程師藉由整合許多模組而結合許多分立式零件，初期運用雙內線、引腳插入式封裝，之後採用表面黏著式封裝。把記憶體與控制電路，連同電池放在同一個封裝，或是藉由製作一個雙封裝的解決方案，把電池嵌在IC電路板上，如此能讓理想的電路設計、製造、以及可靠度控管等工作，從系統設計師的身上轉移到元件供應商。另一項幾乎成為電池供電SRAM同義詞的功能特色就是即時時脈（Real-Time-Clock）。由於許多應用需要在發生標示時間戳記的系統事件時，立即顯示時間與日期的資訊，因為此類元件中已有電池供電，因此自然會把這些功能結合到電池供電的SRAM。

不幸的是，儘管記憶體密度、整合控制電路、以及電池技術都有改進，但缺乏基礎解決方案的情況仍舊沒變。不論是模組化封裝或是印刷電路板上的分立式組裝（沒錯，許多應用仍使用這種技術），電池供電SRAM至今還是面臨低可靠度、製造過程複雜、佔用過多電路板空間、效能低落，再加上近來環保意識抬頭，會讓業者難以達到完全「綠色環保」解決方案的目標。接下來，讓我們開始來討論這些議題。

典型的電池供電SRAM解決方案包含4個元件：SRAM、電壓監測器/控制器、電池、及電池插槽。如圖一所示，在模組化解決方案中已將插槽省略。加總每個元件的失效率，是改進系統可靠度的第一步驟，但我們也應考量連結這些元件所需電路與連結元件的數量，並特別注意經常插拔的電池連結器，以因應接觸侵蝕與震動時產生的間斷性接觸。電池壽命是一個很大的變數，影響的因素包括切換至電池供電的頻率、溫度、以及所使用的電池種類。正常的情況下，SRAM使用5μa的待機電流，而一個165-mAh的電池壽命通常不到4年。這類系統若置於極高與極低的溫度下，不論是開機使用或關機存放，可使用次數都會大幅縮短。

《圖一　電池供電SRAM模塊圖》

內含電池的解決方案，其製造生產相當困難，主要是因電池無法承受回焊的高溫，而在使用無鉛的焊料後，焊接的溫度更高，導致問題更加嚴重。這種情況初期的解決方法，是移到印刷電路板之後來製造；在印刷電路板組裝好之後，再以人工裝上電池。之後，含有SRAM與控制IC的模組，這些採用表面附著封裝的元件經過正常的回焊，把含有電池的封裝元件連結在一起。鑄模的電池連著塑膠片與電子連結器，用按壓的方式組裝，但它們和插槽電池一樣也面臨著侵蝕與震動方面的問題。

隨著技術的演進，電池供電SRAM所需的電路板空間也有改進，但其效率仍舊不高。分立式解決方案向來都需要更多的空間，最大的因素就是電池。就連現今44pin TSOPII封裝的記憶體，光是一個控制器的μDFN加上一個20mm的單元，就佔用至少555mm2的電路板空間，沒有多餘的空間用來配置元件和保留給製造用的緩衝空間。現今熱門的電池供電SRAM模組，採用27mm×27mm的BGA封裝，共佔用729mm2的電路板空間，當然也有使用其他規格的封裝。現今沒有任何的電池供電SRAM解決方案，其所佔用的針腳空間和高度能做到和普通記憶體一樣。

電池供電SRAM使用初期時，高速存取的重要性並不高，因為系統速度不會很快，許多情況下，這些記憶體不會用來進行即時的處理作業。由於須運用超低功耗SRAM來節省電池續航力，這類低功耗設計的速度也會比較慢。現今大多數電池供電解決方案的存取時間為100nsec，有些則可達到55nsec。這些規格需要均衡的系統速度來配合資料保存時間，影響資料保存時間的因素包括待機電流與電池容量。

這讓我們知道目前受到比先前所有問題總和讓更多人重視的議題─「綠色環保」。當談及任何種類的電池供電系統時，此項問題就格外受人關注，電池供電SRAM對此尤其敏感，因為記憶體通常會深深嵌入在系統中，且無法輕易檢測、修復，最重要的是，必須考慮廢棄後的污染問題。目前業界關心的是遵循歐盟的禁用物質防制法RoHS。RoHS限制使用六種物質：鉛、汞、鎘、六價鉻、聚溴聯苯（polybrominated biphenyls）、以及聚溴聯苯醚（polybrominated diphenyl ether）。半導體產業通常將它想成「無鉛」計畫。大多數人都不瞭解，電池可能使用到上述RoHS禁用物質。歐盟的電池、蓄電池、與廢棄電池規定，目的在倡導製造電池時盡量使用危害性較低的物質，與改善這些電池的廢棄管理工作。其他國家，包括美國環保署的1996年電池法案，也實施類似的提倡計畫來控管電池造成的環境衝擊。這些倡導計畫對電池使用者施予越來越大的壓力，並增加廠商在監視與處置方面的環保壓力與成本，可促使電子製造商尋找可行的替代方案。

雖然無法完全捨棄電池不用，但這些政策將持續對原料施加更多限制，以及提高對電池回收的規範要求。這些政策執行造成的直接成本，在不同國家與時期上都有差異，因為業者能自由選擇適合的方法來改善廢棄物管理，但在建造與管理廢棄物的設施方面會有直接與間接的成本，政府當局對使用電池設備的供應商也會課徵遞增的稅賦。

電池供電SRAM的替代方案目前仍未明朗。有些應用結合各自分立的SRAM與EEPROM，或是SRAM與快閃元件，在沒有電力時會把資料移動到非揮發性元件。因為在備援電源的支撐時間內，透過資料匯流排傳輸的資料量很有限，通常會使用的電源包括像昂貴的電容，所以這些方案的缺點仍相當明顯。長期而言，一些嶄新的技術也是可能的解決方案。鐵電材料、磁性與相位變化記憶體，在發展非揮發性記憶功能方面都有相當的成果，在未來也可能成為能商業化的產品，但目前仍被迫面臨效能受限、製造成本昂貴、以及材料技術門檻過高等問題。

《圖二　非揮發性SRAMs模塊圖》

更好的解決方案：非揮發性SRAMs

Cypress現已推出一系列非揮發性SRAM，專門用於解決電池供電解決方案的各種缺點。這些元件整合一個高速SRAM單元與非揮發性元件，以提供失去電力時的資料儲存功能，而且完全不使用電池。如圖二所示，nvSRAM模塊圖顯示系統介面和任何傳統的高效能非同步SRAM是一樣的。不論在x8或x16的組態，位址與資料線路，以及/CE、/OE、與/WE控制訊號，都是系統設計者熟悉的配置。在通常的運作狀況中，資料的寫入與讀取都是透過單元中的SRAM部份。當系統失去供電，或當使用者啟動儲存指令，就會啟用非揮發性的記憶功能。

Autostore是最常見的儲存資料方法。當nvSRAM的電源監視電路監測到系統供電開始下降至最低運作水準以下時，晶片的I/O就會關閉，以避免SRAM的資料毀損，然後啟動晶片中的儲存功能。小型電容（通常為22μf至68μf）的電力用來把記憶體單元中SRAM部份裡的資料，複製到非揮發性零件。這些非揮發性元件緊密耦合至每個SRAM單元，讓所有資料都以平行模式傳送。當電力回復，電源監視器會啟動回復功能，把非揮發性零件的資料回存至SRAM。當系統電源趨於穩定，並準備好運作時，資料就立即備妥，就像沒有發生任何事故一樣。系統可視選用的儲存元件，由硬體或軟體來啟動指令。

Cypress的nvSRAM採用Silicon-Oxide-Nitride-Oxide-Silicon（SONOS）製程，把非揮發性元件整合至高性能的SRAM記憶體單元。Quantum Trap技術運用低刪除/程式化電流與電場，把電荷儲存在氮化矽的絕緣材料中。使用低電流的原因，是由於電荷被推送經過一層薄的氧化層，能達到高可靠度，並可同時儲存整個記憶體陣列。儲存的電荷置放於一層絕緣的氮化矽，而非浮動的可導電多晶矽閘極，因此不易因接觸火花、氧化層破裂、或製造瑕疵而故障。SONOS數十年來都被用來製造高可靠性的分立式記憶體，以及用在嵌入式系統領域，提供極高的可靠行性、可量產性、以及擴充性。最重要的是，這種製程不需要罕見的材料或設備，並且在許多高產量的晶圓廠中，都能與標準的CMOS製程整合。

由於nvSRAM非揮發性儲存元件不用依賴電池來保存資料，因此具備可預測的性能。由於SRAM寫入次數完全沒有上限，所以非揮發性的記憶能力可承受20萬次的儲存週期。且非揮發性元件讀回資料，不會消耗運作週期。即使處在工業級的嚴苛溫度下，每次儲存作業後，資料都可保存20年。

nvSRAM是一種單一晶片的元件，因此具備和標準SRAM相同的高效率組裝與高可靠度等特性，並支援類似的封裝選項。Cypress目前提供nvSRAMs的容量從256Kb至4Mb等密度，並將繼續開發更高密度的版本。存取時間最快為15nsec。表面黏著的SSOP、SOIC、TSOPII、以及BGA都是無鉛的、沒有電池、且符合RoHS規範的封裝，讓nvSRAM不必面臨電池供電SRAM在目前與未來的各種問題。

---作者任職於Cypress賽普拉斯半導體---