过去三十年来，工程师由于结合电池与静态RAM，能在刻意与意外断电情形时，让系统仍可保护资料。最初业界采用内建低密度记忆体电路的分立式解决方案，及单纯的电池技术，搭配分立式电源感测与切换电路。效能向来是业界面临的挑战之一。为配合低功耗要求，借以延长电池供电记忆体的运作时间，此类元件都会设计较慢的存取时间。虽然电池有限的容量值得商确，但这已是过去的解决方案。幸运的是，现在已有显著的改良设计，聪明的工程师藉由整合许多模组而结合许多分立式零件，初期运用双内线、引脚插入式封装，之后采用表面黏着式封装。把记忆体与控制电路，连同电池放在同一个封装，或是藉由制作一个双封装的解决方案，把电池嵌在IC电路板上，如此能让理想的电路设计、制造、以及可靠度控管等工作，从系统设计师的身上转移到元件供应商。另一项几乎成为电池供电SRAM同义词的功能特色就是即时时脉（Real-Time-Clock）。由于许多应用需要在发生标示时间戳记的系统事件时，立即显示时间与日期的资讯，因为此类元件中已有电池供电，因此自然会把这些功能结合到电池供电的SRAM。

不幸的是，尽管记忆体密度、整合控制电路、以及电池技术都有改进，但缺乏基础解决方案的情况仍旧没变。不论是模组化封装或是印刷电路板上的分立式组装（没错，许多应用仍使用这种技术），电池供电SRAM至今还是面临低可靠度、制造过程复杂、占用过多电路板空间、效能低落，再加上近来环保意识抬头，会让业者难以达到完全「绿色环保」解决方案的目标。接下来，让我们开始来讨论这些议题。

典型的电池供电SRAM解决方案包含4个元件：SRAM、电压监测器/控制器、电池、及电池插槽。如图一所示，在模组化解决方案中已将插槽省略。加总每个元件的失效率，是改进系统可靠度的第一步骤，但我们也应考量连结这些元件所需电路与连结元件的数量，并特别注意经常插拔的电池连结器，以因应接触侵蚀与震动时产生的间断性接触。电池寿命是一个很大的变数，影响的因素包括切换至电池供电的频率、温度、以及所使用的电池种类。正常的情况下，SRAM使用5μa的待机电流，而一个165-mAh的电池寿命通常不到4年。这类系统若置于极高与极低的温度下，不论是开机使用或关机存放，可使用次数都会大幅缩短。

《图一 电池供电SRAM模块图》

内含电池的解决方案，其制造生产相当困难，主要是因电池无法承受回焊的高温，而在使用无铅的焊料后，焊接的温度更高，导致问题更加严重。这种情况初期的解决方法，是移到印刷电路板之后来制造；在印刷电路板组装好之后，再以人工装上电池。之后，含有SRAM与控制IC的模组，这些采用表面附着封装的元件经过正常的回焊，把含有电池的封装元件连结在一起。铸模的电池连着塑胶片与电子连结器，用按压的方式组装，但它们和插槽电池一样也面临着侵蚀与震动方面的问题。

随着技术的演进，电池供电SRAM所需的电路板空间也有改进，但其效率仍旧不高。分立式解决方案向来都需要更多的空间，最大的因素就是电池。就连现今44pin TSOPII封装的记忆体，光是一个控制器的μDFN加上一个20mm的单元，就占用至少555mm2的电路板空间，没有多余的空间用来配置元件和保留给制造用的缓冲空间。现今热门的电池供电SRAM模组，采用27mm×27mm的BGA封装，共占用729mm2的电路板空间，当然也有使用其他规格的封装。现今没有任何的电池供电SRAM解决方案，其所占用的针脚空间和高度能做到和普通记忆体一样。

电池供电SRAM使用初期时，高速存取的重要性并不高，因为系统速度不会很快，许多情况下，这些记忆体不会用来进行即时的处理作业。由于须运用超低功耗SRAM来节省电池续航力，这类低功耗设计的速度也会比较慢。现今大多数电池供电解决方案的存取时间为100nsec，有些则可达到55nsec。这些规格需要均衡的系统速度来配合资料保存时间，影响资料保存时间的因素包括待机电流与电池容量。

这让我们知道目前受到比先前所有问题总和让更多人重视的议题─「绿色环保」。当谈及任何种类的电池供电系统时，此项问题就格外受人关注，电池供电SRAM对此尤其敏感，因为记忆体通常会深深嵌入在系统中，且无法轻易检测、修复，最重要的是，必须考虑废弃后的污染问题。目前业界关心的是遵循欧盟的禁用物质防制法RoHS。RoHS限制使用六种物质：铅、汞、镉、六价铬、聚溴联苯（polybrominated biphenyls）、以及聚溴联苯醚（polybrominated diphenyl ether）。半导体产业通常将它想成「无铅」计画。大多数人都不了解，电池可能使用到上述RoHS禁用物质。欧盟的电池、蓄电池、与废弃电池规定，目的在倡导制造电池时尽量使用危害性较低的物质，与改善这些电池的废弃管理工作。其他国家，包括美国环保署的1996年电池法案，也实施类似的提倡计画来控管电池造成的环境冲击。这些倡导计画对电池使用者施雨越来越大的压力,并增加厂商在监视与处置方面的环保压力与成本,可促使电子制造商寻找可行的替代方案。

虽然无法完全舍弃电池不用，但这些政策将持续对原料施加更多限制，以及提高对电池回收的规范要求。这些政策执行造成的直接成本，在不同国家与时期上都有差异，因为业者能自由选择适合的方法来改善废弃物管理，但在建造与管理废弃物的设施方面会有直接与间接的成本，政府当局对使用电池设备的供应商也会课征递增的税赋。

电池供电SRAM的替代方案目前仍未明朗。有些应用结合各自分立的SRAM与EEPROM，或是SRAM与快闪元件，在没有电力时会把资料移动到非挥发性元件。因为在备援电源的支撑时间内，透过资料汇流排传输的资料量很有限，通常会使用的电源包括像昂贵的电容，所以这些方案的缺点仍相当明显。长期而言，一些崭新的技术也是可能的解决方案。铁电材料、磁性与相位变化记忆体，在发展非挥发性记忆功能方面都有相当的成果，在未来也可能成为能商业化的产品，但目前仍被迫面临效能受限、制造成本昂贵、以及材料技术门槛过高等问题。

《图二 非挥发性SRAMs模块图》

更好的解决方案：非挥发性SRAMs

Cypress现已推出一系列非挥发性SRAM，专门用于解决电池供电解决方案的各种缺点。这些元件整合一个高速SRAM单元与非挥发性元件，以提供失去电力时的资料储存功能，而且完全不使用电池。如图二所示，nvSRAM模块图显示系统介面和任何传统的高效能非同步SRAM是一样的。不论在x8或x16的组态，位址与资料线路，以及/CE、/OE、与/WE控制讯号，都是系统设计者熟悉的配置。在通常的运作状况中，资料的写入与读取都是透过单元中的SRAM部份。当系统失去供电，或当使用者启动储存指令，就会启用非挥发性的记忆功能。

Autostore是最常见的储存资料方法。当nvSRAM的电源监视电路监测到系统供电开始下降至​​最低运作水准以下时，晶片的I/O就会关闭，以避免SRAM的资料毁损，然后启动晶片中的储存功能。小型电容（通常为22μf至68μf）的电力用来把记忆体单元中SRAM部份里的资料，复制到非挥发性零件。这些非挥发性元件紧密耦合至每个SRAM单元，让所有资料都以平行模式传送。当电力回复，电源监视器会启动回复功能，把非挥发性零件的资料回存至SRAM。当系统电源趋于稳定，并准备好运作时，资料就立即备妥，就像没有发生任何事故一样。系统可视选用的储存元件，由硬体或软体来启动指令。

Cypress的nvSRAM采用Silicon-Oxide-Nitride-Oxide-Silicon（SONOS）制程，把非挥发性元件整合至高性能的SRAM记忆体单元。 Quantum Trap技术运用低删除/程式化电流与电场，把电荷储存在氮化矽的绝缘材料中。使用低电流的原因，是由于电荷被推送经过一层薄的氧化层，能达到高可靠度，并可同时储存整个记忆体阵列。储存的电荷置放于一层绝缘的氮化矽，而非浮动的可导电多晶矽闸极，因此不易因接触火花、氧化层破裂、或制造瑕疵而故障。SONOS数十年来都被用来制造高可靠性的分立式记忆体，以及用在嵌入式系统领域，提供极高的可靠行性、可量产性、以及扩充性。最重要的是，这种制程不需要罕见的材料或设备，并且在许多高产量的晶圆厂中，都能与标准的CMOS制程整合。

由于nvSRAM非挥发性储存元件不用依赖电池来保存资料，因此具备可预测的性能。由于SRAM写入次数完全没有上限，所以非挥发性的记忆能力可承受20万次的储存周期。且非挥发性元件读回资料，不会消耗运作周期。即使处在工业级的严苛温度下，每次储存作业后，资料都可保存20年。

nvSRAM是一种单一晶片的元件，因此具备和标准SRAM相同的高效率组装与高可靠度等特性，并支援类似的封装选项。 Cypress目前提供nvSRAMs的容量从256Kb至4Mb等密度，并将继续开发更高密度的版本。存取时间最快为15nsec。表面黏着的SSOP、SOIC、TSOPII、以及BGA都是无铅的、没有电池、且符合RoHS规范的封装，让nvSRAM不必面临电池供电SRAM在目前与未来的各种问题。

---作者任职于Cypress赛普拉斯半导体---