Sans EEPROM double cellule, les données sont facilement perdues

La carrière d'un ingénieur s'accompagne d'une série d'ordinateurs personnels. J'ai commencé avec la ligne ThinkPad d'IBM, car elle offrait une construction très solide et une grande fiabilité. J'ai eu un jour un ThinkPad 560X qui était qualifié de portable selon les normes qui existaient il y a 20 ans, sans CD ni disquette (vous vous souvenez de ces modèles ?). J'ai fini par le remplacer par un autre ordinateur portable, puis un autre, et ainsi de suite.

Il y a environ 10 ans, j'ai décidé de créer un système stéréo numérique contrôlé par un ordinateur portable compact qui ne prendrait pas trop de place. C'était assez logique de réutiliser du vieux matériel. La diffusion audio par le biais du lecteur intégré de 3,5 mm n'était pas un problème pour le processeur Pentium du ThinkPad 560X, alors je l'ai ressorti du placard et je m'en suis servi comme base pour créer mon système audio.

Un dimanche matin, j'ai démarré l'ordinateur pour pouvoir déguster mon café au son de Meat Loaf. C'était une journée parfaitement normale, jusqu'à ce que les haut-parleurs du ThinkPad émettent quelques secondes plus tard d'étranges sons :

BIIIIIIIP ! BIIIIIIIP !

Ceux d'entre vous qui se souviennent de l'ancien système BIOS viennent certainement de faire un bond en se remémorant l'horrible bip de l'autotest de démarrage (POST) de l'ordinateur portable. J'ai regardé l'écran et j'y ai découvert un code d'erreur POST à trois chiffres.

Je suis alors passé sur mon ordinateur portable de tous les jours pour faire des recherches sur ce code d'erreur, en espérant que mon autre ordinateur n'aimait tout simplement pas mes goûts musicaux. Hélas, le code signifiait que la mémoire EEPROM utilisée pour stocker la configuration du BIOS voulait se débarrasser de toutes ses données. J'ai redémarré plusieurs fois mon ordinateur portable, mais cela n'a servi à rien : j'ai perdu toutes les données.

Après de plus amples recherches, j'ai découvert qu'à l'époque, les modèles ThinkPad stockaient leurs données de configuration BIOS dans une mémoire EEPROM série soudée sur la carte mère. La technologie EEPROM était encore en train d'évoluer. Les fabricants de semi-conducteurs s'efforçaient de rendre leurs dispositifs plus rapides et plus fiables, tout en améliorant la conservation des données et en réduisant les coûts.

J'ai rangé mon ordinateur portable, l'allumant de temps en temps en espérant qu'il me ferait la surprise de démarrer, mais le bon vieux temps était bel et bien révolu.

Aujourd'hui, la conservation des données EEPROM est plus importante que jamais. Avec l'Internet des objets (IoT), l'IoT industriel (IIoT) et les nœuds qui exigent une conservation des données bien plus longue avec une fiabilité accrue, les fabricants EEPROM ont apporté à leurs dispositifs des améliorations considérables qui permettent de conserver les données en toute sécurité pendant des dizaines d'années.

Par exemple, Rohm Semiconductor propose une sélection d'EEPROM de grade automobile, conçue pour une très longue conservation des données et une grande fiabilité. La mémoire BR24G64NUX-3ATTR est une EEPROM automobile de 64 kilobits (Kb) avec une interface I²C que Rohm a spécifiée pour plus de 40 ans de conservation des données et plus d'un million de cycles d'écriture. Elle est fournie dans un boîtier UFDFN à 8 broches à plot exposé (Figure 1). L'interface série I²C peut communiquer avec un microcontrôleur hôte à 1 mégahertz (MHz), avec une plage V_CC de 1,7 volts (V) à 5,5 V.

Figure 1 : La mémoire BR24G64NUX-3ATTR est une EEPROM de 64 Kb avec une structure de mémoire à double cellule qui peut conserver des données pendant plus de 40 ans. (Source de l'image : Rohm Semiconductor)

La gamme d'EEPROM BR24G64 offre plusieurs fonctionnalités de protection des données. Une broche de protection en écriture (WP) permet à un circuit externe d'imposer une protection en écriture matérielle des données EEPROM. Lorsque WP = GND, les écritures de données sont autorisées. Lorsque WP = V_CC, toutes les écritures de données sur la mémoire EEPROM sont bloquées. Les lectures sont autorisées, tout comme les lectures et les écritures sur les registres internes. Cela peut être utilisé pour empêcher le micrologiciel hôte du microcontrôleur d'écrire dans l'EEPROM pendant un événement externe qui pourrait entrer en conflit avec une opération d'écriture.

De nombreuses défaillances EEPROM portant sur un seul bit ne se produisent pas lors du fonctionnement normal, mais lors des brefs événements de mise sous tension et hors tension. Ces événements génèrent des transitoires basse tension parasites qui peuvent entraîner l'application malencontreuse d'un pic de signal d'écriture à une cellule EEPROM, ce qui provoque une défaillance portant sur un seul bit. Pour empêcher cela, les EPROM automobiles de Rohm ont deux circuits de protection internes. Le circuit de protection de réinitialisation à la mise sous tension attend que V_CC ait atteint une tension interne minimum, après quoi il applique V_CC au reste de la puce. Cela empêche les transitoires basse tension internes et garantit que la mémoire EEPROM n'est pas corrompue lors des événements de mise sous tension. Le deuxième circuit est un circuit de protection contre les sous-tensions, qui empêche les écritures extérieures en mémoire lorsque V_CC chute à une valeur trop basse. Si V_CC chute trop en dessous de la tension de fonctionnement minimum, l'EEPROM se réinitialise pour empêcher toute écriture parasite dans l'EEPROM.

La mémoire de données EEPROM est conçue pour des opérations de lecture rapides et pour une écriture relativement rapide. Les EEPROM écrivent des données dans une cellule de mémoire en faisant passer des électrons à travers un film d'oxyde à effet tunnel. Le film peut se détériorer avec le temps et la température, et il se fragilise à chaque écriture dans la cellule. Même lorsque le dispositif est rangé et n'est pas utilisé, les températures élevées peuvent détériorer le film. La cellule finit par se détériorer, ce qui entraîne une défaillance portant sur un bit mémoire : la cellule reste bloquée sur un 1 logique. C'est la raison pour laquelle, au fil des années, les EEPROM ont été affectées par les pannes mémoire portant sur un seul bit, et c'est d'ailleurs ce qui est arrivé à mon ThinkPad 560X lorsque je l'ai démarré pour écouter Meat Loaf. Avec l'EEPROM effacée, le 560X m'a renvoyé un code correspondant à une défaillance de somme de contrôle, ce qui est la triste fin logique après une panne portant sur un seul bit.

Les EEPROM automobiles de Rohm utilisent une structure à double cellule pour chaque bit de mémoire. Un circuit de détection surveille l'état de la première cellule. Si cette cellule est proche de la panne, la deuxième cellule prend le relais et la première est désactivée. Même si ce système augmente la taille de la puce, il permet 40 ans de conservation de données et plus d'un million de cycles d'écriture. Deux cases de cochées sur trois, ce n'est pas mal.

Conclusion

Si les mémoires EPROM automobiles haute fiabilité de Rohm Semiconductor avaient existé il y a 20 ans, mon ThinkPad 560X diffuserait toujours de la musique et n'aurait pas rendu l'âme en faisait bip bip en ce beau dimanche matin.