Ohne den Einsatz von Doppelzellen-EEPROMs gehen Daten leicht verloren

Als Ingenieur wird ein Großteil Ihrer Karriere von einer Reihe persönlicher Laptops begleitet. Ich habe mit den Laptops der ThinkPad-Reihe von IBM begonnen, weil sie sehr solide konstruiert und sehr zuverlässig waren. Einmal hatte ich einen ThinkPad 560X, der so tragbar war, wie es vor 20 Jahren möglich war, ohne CD- oder Diskettenlaufwerk (erinnern Sie sich noch an so etwas?). Er wurde schließlich durch einen anderen Laptop ersetzt, und dann einen weiteren, und so weiter.

Vor etwa zehn Jahren beschloss ich, ein digitales Heim-Stereosystem zusammenzustellen, das von einem kompakten Laptop gesteuert werden sollte, der nicht viel Platz im Regal einnehmen würde. Es war sinnvoll, alte Hardware für diese Aufgabe umzuwidmen. Die Audioausgabe aus dem eingebauten 3,5mm-Port war für den Pentium im ThinkPad 560X kein Problem, also zog ich den Laptop aus dem Speicher und baute mein Heim-Audiosystem darum herum.

An einem strahlenden Sonntagmorgen bootete ich den Laptop, um meine Lieblingsmusik zu hören, während ich an meinem Kaffee nippte. Es war ein ganz normaler Sonntagmorgen, bis ich Sekunden später von den Lautsprechern des ThinkPads aufgeschreckt wurde:

Ein schriller Alarmton. Und dann ein zweiter schriller Alarmton.

Diejenigen unter Ihnen, die mit dem alten BIOS-System vertraut sind, werden beim Ertönen des POST-Pieptons (Power-on Self-Test) des Laptops vor Entsetzen zurückschrecken. Ich schaute auf den Bildschirm und sah einen dreistelligen POST-Fehlercode.

Dann ging ich zu meinem Arbeits-Laptop und schaute mir den Fehlercode an, in der Hoffnung, dass der alte Laptop vielleicht entschieden hatte, dass er meinen Musikgeschmack nicht mochte. Leider sagte mir der Code, dass das EEPROM, in dem die BIOS-Konfiguration gespeichert war, nicht mehr daran interessiert war, seine Daten zu behalten. Mehrere Neustarts waren erfolglos - die Daten waren weg.

Weitere Untersuchungen ergaben, dass die ThinkPads damals ihre BIOS-Konfigurationsdaten in einem seriellen, auf die Hauptplatine gelöteten EEPROM speicherten. Die EEPROM-Technologie befand sich damals noch in der Entwicklungsphase, wobei die Halbleiterhersteller fleißig daran arbeiteten, ihre Geräte schneller und zuverlässiger zu machen und gleichzeitig die Datenspeicherung zu verbessern und die Kosten zu senken.

Ich bewahrte den Laptop trotzdem auf, schaltete ihn gelegentlich an und hoffte, er würde mich beim Booten überraschen, aber wie jede gute Beziehung, die schief ging, waren die guten alten Zeiten vorbei.

Die Speicherung von EEPROM-Daten ist heute wichtiger denn je. Mit dem Internet der Dinge (IoT), dem industriellen IoT (IIOT) und den Knotenpunkten, die eine viel längere Datenspeicherung bei verbesserter Zuverlässigkeit erfordern, haben die EEPROM-Hersteller bedeutende Verbesserungen vorgenommen, die eine jahrzehntelange Datensicherheit ermöglichen.

Zum Beispiel bietet Rohm Semiconductor eine Auswahl von EEPROMs für die Automobilelektronik an, die für eine sehr lange Lebensdauer der Datenspeicherung und Zuverlässigkeit ausgelegt sind. Das BR24G64NUX-3ATTR ist ein 64Kbit-EEPROM für die Automobilelektronik mit einer I²C-Schnittstelle, das Rohm für mehr als 40 Jahre Datenspeicherung und über eine Million Schreibzyklen spezifiziert hat. Es wird in einem 8-poligen UFDFN-Gehäuse mit freiliegenden Pads geliefert (Abbildung 1). Die serielle I²C-Schnittstelle kann mit einem Host-Mikrocontroller bei 1 Megahertz (MHz) mit einem V_CC Bereich von 1,7 bis 5,5 Volt kommunizieren.

Abbildung 1: Das BR24G64NUX-3ATTR ist ein 64-Kbit-EEPROM mit einer Doppelzellen-Speicherstruktur, das Daten über 40 Jahre lang speichern kann. (Bildquelle: Rohm Semiconductor)

Die EEPROM-Familie BR24G64 verfügt über mehrere Datenschutzfunktionen. Ein Schreibschutz-Pin (WP-Pin) ermöglicht es einer externen Schaltung, einen Hardware-Schreibschutz für die EEPROM-Daten zu erzwingen. Bei WP = GND ist das Schreiben von Daten erlaubt. Wenn WP = V_CC werden alle Datenschreiboperationen in das EEPROM-Speicherarray blockiert. Das Lesen ist erlaubt, ebenso wie das Lesen und Schreiben in interne Register. Dies kann verwendet werden, um zu verhindern, dass die Mikrocontroller-Host-Firmware während eines externen Ereignisses, das mit einem Schreibvorgang in Konflikt geraten könnte, in das EEPROM schreibt.

Viele EEPROM-Einzelbit-Ausfälle treten nicht während des normalen Betriebs, sondern während der kurzen Ein- und Ausschaltvorgänge auf. Diese Ereignisse erzeugen unerwünschte Niederspannungstransienten, die dazu führen können, dass ein unbeabsichtigtes Schreibsignal mit Spitzenwerten an eine EEPROM-Zelle angelegt wird, was zu einem Einzelbit-Ausfall führt. Um dies zu verhindern, verfügen die Automobil-EPROMs von Rohm über zwei interne Schutzschaltungen. Die Einschalt-Rücksetzschutzschaltung wartet, bis V_CC auf eine minimale interne Spannung angestiegen ist, wonach sie dann V_CC an den Rest des Chips anlegt. Dies verhindert interne Niederspannungstransienten und stellt sicher, dass das EEPROM-Speicherarray bei Einschaltvorgängen nicht beschädigt wird. Die zweite ist eine Unterspannungs-Schutzschaltung zur Verhinderung von Fremdschreibvorgängen in den Speicher, wenn V_CC zu tief abfällt. Wenn V_CC zu tief unter die minimale Betriebsspannung fällt, setzt sich das EEPROM selbst zurück, um ein Fehlschreiben des EEPROMs zu verhindern.

Der EEPROM-Datenspeicher ist für schnelle Leseoperationen und ein relativ schnelles Schreiben ausgelegt. EEPROMs schreiben Daten in eine Speicherzelle, indem Elektronen durch eine Tunneloxidschicht geleitet werden. Der Film kann sich im Laufe der Zeit und der Temperatur zersetzen, und der Film wird bei jedem Schreiben in die Zelle geschwächt. Selbst bei Lagerung können hohe Temperaturen den Film zersetzen. Irgendwann ist die Zelle so sehr beschädigt, dass ein Speicherbitfehler auftritt, wodurch die Zelle bei einer logischen 1 stecken bleibt. Aus diesem Grund wurden EEPROMs viele Jahre lang von Einzelbit-Speicherausfällen geplagt, was bei meinem ThinkPad 560X passierte. Als das EEPROM ausfiel, gab mir der 560X einen Code für einen Prüfsummenfehler, das traurige Ende aufgrund eines Einzelbitfehlers.

Die EEPROMs von Rohm für die Automobilelektronik verwenden eine Doppelzellenstruktur für jedes Speicherbit. Eine Abtastschaltung überwacht den Zustand der ersten Zelle. Wenn die Zelle kurz vor dem Ausfall steht, springt die zweite Zelle ein, während die erste Zelle deaktiviert wird. Dies vergrößert zwar die Chips, führt aber zu 40 Jahren Datenspeicherung und über einer Million Schreibzyklen. Und das hört sich doch ganz gut an.

Fazit

Wären die hochzuverlässigen Automobil-EPROMs von Rohm Semiconductor schon vor 20 Jahren auf dem Markt gewesen, würde mein ThinkPad 560X immer noch Musik spielen, anstatt zu piepsen! Alles wegen eines einzelnen Bitfehlers. Ein unverdientes Ableben an jenem strahlenden Sonntagmorgen.