지난 30년간 엔지니어들은 의도되거나 예상치 못한 정전 시 데이터 보호를 위해 배터리와 스태틱 RAM을 결합해 왔다. 우선, 각 솔루션들은 파워 센싱과 스위칭 회로를 이용하여 낮은 집적도의 메모리 회로와 크루드 배터리 기술들로 만들어 졌다. 성능은 항상 하나의 도전 과제였다. 확장 배터리 지원의 작동 메모리에 필요한 저전력에 맞추기 위해 느린 액세스 타임으로 개발되었다. 배터리는 신뢰성 문제와 함께 용량이 제한적이었다. 그러나 이는 당시의 유일한 해결책이었다.
Battery-Backed SRAMs
글│Doug Mitchell, Senior Marketing Manager for Non-Volatile Memory,
Cypress Semiconductor Corp.
다행이, 재능 있는 엔지니어들이 먼저 2선 쓰룻 홀을 이용한 이후 표편 실장 패키지로 모듈을 어셈블링 함으로써 각각의 부품들을 결합함에 따라 놀라운 개선이 이루어 졌다.
배터리를 가진 동일한 패키지에 메모리와 컨트롤 회로를 놓음으로써 혹은 배터리 스냅이 통합 회로로 들어가는 두개의 패키지 솔루션을 만듦으로써 좋은 회로 디자인, 제조 및 신뢰성에 대한 부담은 시스템 설계자들에서 부품 공급업체들로 넘어갔다. 추가적인 하나의 특징은 배터리가 지원하는(battery-backed) SRAMs과 거의 같게 되었다; 실시간 클럭(Real-Time-Clock). 많은 애플리케이션들이 타임 스태핑 시스템 기록과 함께 시간 및 날짜 정보 표시가 필요함에 따라 배터리 지원의 SRAM과 함께 이러한 기능들을 결합하는 것 만이 자연스러운 것이었다.
아쉽게도, 메모리 집적도, 통합 컨트롤 회로 및 배터리 기술 분야의 향상에도 불구하고 솔루션의 기본 결함은 존재한다. 인쇄회로기판 상의 모듈러 패키지이거나 별도의 조립된 것이든(여전히 많은 애플리케이션들이 이 테크닉을 이용하고 있다) 배터리 지원 SRAM은 낮은 신뢰성, 복잡한 제조, 큰 풋프린트, 낮은 성능, 그리고 더 커진 환경에 대한 인식과 함께 완전한 ‘green’ 솔루션 쪽으로 이동하기 위한 어려움 등에 여전히 시달리고 있다. 이제 이러한 문제들에 대해 알아보자.
일반적인 배터리 지원 SRAM 솔루션은 SRAM, 전압 모니터/컨트롤러, 배터리 및 배터리 소켓 등4가지 부품으로 구성된다. 소켓은 모듈 솔루션을 제외한 것이다. 각 부품의 오류 비율을 단순히 증가시키는 것은 시스템 신뢰성의 합리적인 일차적 근사치일 것이지만 디바이스 간의 모든 상호 연결에 필요한 트레이스와 커넥션 수를 또한 고려해야만 하며, 진동으로부터의 접촉 불량과 불량 접촉에 대한 더 큰 가능성을 허용하면서 종종 소켓에 끼워진 배터리 접속에 특별히 유의해야 한다.
배터리의 수명은 시스템이 얼마나 자주 배터리 전원, 온도, 그리고 사용한 배터리 타입을 순환하는 가에 따라 아주 다양하다. 명목상 5μa 의 대기 전류와 165mAh 배터리를 가진 SRAM 작동은 4년 미만 지속될 것이다. 작동 중이거나 혹은 저장상태이거나 이 시스템을 극한 환경에 놓으면 숫자는 크게 떨어질지도 모른다.
배터리 솔루션과 함께 제조는 리드 프리 땜납용으로 도입되고 있는 고온 프로파일과 함께해야만 격화되는 리플로우 땜질용으로 이용된 극한 온도 극복을 위한 배터리 불능으로 인해 원래 어려웠다. 이러한 조건은 2차 제조 공정으로써 조립되는 배터리나 모듈을 우선 필요로 한다; 인쇄회로기판이 조립된 이후 배터리는 매뉴얼 단계에 추가되었다. 이후 모듈은 표면 실장 패키지에 SRAM과 컨트롤 IC 임베디드로 만들어졌다. 만들어진 배터리는 플라스틱 클립과 함께 부착되며, 전기 접속은 간단히 눌러 연결한다. 배터리 지원 SRAM 지원에 필요한 보드 공간은 기술 혁신으로 변화 되었지만 비효율성은 남아있다.
각 솔루션은 주로 배터리 문제로 인해 더 많은 공간이 항상 필요 했다. 현재 메모리를 위한 44pin TSOPII를 패키지 하는 것 조차 컨트롤러와 20mm 코인 셀을 위한 μDFN은 라우팅과 제조 톨러런스를 위한 추가 공간 없이도 최소 555mm2를 차지한다. 현재 인기 있는 배터리 지원 SRAM 모듈은 729mm2의 보드 공간을 차지하면서 27mm × 27mm BGA 패키지에서 포장되며, 다른 다양한 패키지들도 있다.
고속 액세스는 시스템 속도가 빠르지 않고 많은 경우 이들 메모리들이 실시간 프로세싱에 사용되지 않았기 때문에 배터리 지원 SRAMs의 초기에는 그리 중요하지 않았다. 아주 낮은 전력의 SRAMs은 배터리 수명 보존이 필요했기 때문에 저전력 설계 또한 느린 것이 편리했다. 오늘날 대부분의 배터리 지원 솔루션은 일부가 55nsec 만큼 빠르게 실행됨에도 100 nsec의 액세스 타임에서 정해진다. 다시 한번, 이러한 사양은 대기 전류와 배터리 용량 기능인 데이터 보존 시간에 대한 밸런싱 시스템 속도조건을 요구한다.
이러한 사실은 이전에 제기된 모든 문제들 보다 더 많은 주의를 요한다. 그것은 바로 ‘green’을 말하는 것이다. 배터리로 구동하는 어떤 종류의 시스템을 얘기할 때 이 문제는 크게 부각되며, 배터리 지원 SRAM은 메모리가 보통 시스템에서 깊게 임베드(embed)되고 점검이나 수리가 쉽지 않으며, 더 중요하게는 처치가 곤란하다는 점 때문이다. 업계 내에서 전기전자 장비 내 유해물질 사용 제한에 관한 유럽의 규정(RoHS: 유럽 유해물질 관리규정)을 지키려는 노력이 경주되고 있다.
RoHS가 사용을 제한하는 물질은 납, 수은, 카드뮴, 6가 크롬, 폴리브롬화 디페닐, 폴리브롬화 디페닐 에테르 등 6가지이다. 반도체 산업에서 이런 것들은 보통 ‘lead-free” 이니셔티브로 간주한다. 그러나, 앞서 나온 제한 물질을 소량 쓸 것이란 점을 제외한다면 배터리는 RoHS 규정에서 빠진다는 점은 일반적으로 이해하기 힘든 부분이다. 하지만 배터리, 축전용, 소모용 배터리에 관한 규정(Directive on Batteries and Accumulators and Waste Batteries) 이 목표하는 바는 배터리를 생산할 때 유해 물질을 덜 사용하고 배터리의 폐기처리를 개선하려는 것이다.
1996년 미국 환경보호청(EPA)의 배터리 법령(Battery Act)을 포함하여 다른 나라에서도 배터리의 환경 영향을 억제하는 비슷한 발안을 실행하고 있다. 이런 노력들은 점점 배터리 사용자를 압박할 것이다. 또한, 환경을 고려하라는 압력과 감시, 그리고 처분에 따르는 비용이 늘어나게 되면서 전자업체로 하여금 실용 가능한 대안을 찾도록 강요할 것이다.
물론 배터리 사용을 완전히 없애는 것은 비실용적이지만, 이런 움직임은 사용물질 제한을 계속 더해나갈 것이며, 배터리의 재활용과 수거 필요성을 늘릴 것이다. 이런 행동지침의 직접적 비용 효과는 나라마다, 그리고 시대별로 다양하다. 폐기처리 개선을 위해 각자 자유롭게 방법을 도입할 수 있기 때문이다. 그러나 처리시설을 만들고 관리하는 데에는 배터리를 사용하는 장비 공급업체들에게 부과될 인크리멘탈 세금을 비롯한 직간접 비용이 들어간다.
그림 1. Battery-backed SRAM 블록 다이어그램
배터리 지원 SRAM의 대안은 (현재까지는) 찾기 힘들다. 일부 애플리케이션들은 전원이 나갔을 때 데이터를 비-휘발성 디바이스로 옮기는 separate SRAM과 EEPROM, 또는 SRAM과 플래시 디바이스를 결합한다. 이 경우 고압 콘덴서가 제공할 수 있는 것과 같이 백업 파워 소스에서 데이터 버스로 전송될 수 있는 데이터의 제한된 용량으로 인해 단점이 되는 것은 분명하다. 외국의 새로운 기술들 또한 장기적으로는 가능한 솔루션이다. 미래 상업적으로 활용할 만한 비-휘발성 기능들을 개발하는 데 있어 ferroelectric, 마그네틱 그리고 PCM(phase-change memories)이 일부 성공을 경험하고 있다. 하지만 아직까지는 제한된 성능과 비싼 제조비용, 그리고 특수 물질로 인해 한계가 있다.
보다 나은 해결책: 비-휘발성 SRAMs (non-volatile SRAMs)
싸이프레스는 배터리 지원 솔루션의 단점을 대응하기 위해 개발된 비-휘발성 SRAMs 제품군을 발표 했다. 이 제품군은 배터리를 완전히 제거하는 동안 전원이 꺼진 백업기능을 제공하기 위해 비-휘발성 성분과 함께 고속 SRAM 셀을 통합하고 있다.
이 비-휘발성 SRAMs(nvSRAM) 블록 다이어그램은 시스템 인터페이스가 기존의 어떤 고성능 비동기식 SRAM을 어떻게 동일하게 하는 지를 보여주고 있다. x8 or x16 컨피규레이션에서 /CE, /OE and /WE 컨트롤 시그널과 함께 어드레스와 데이터 라인은 시스템 설계자에게 친숙하다. 일반적인 작동에서 데이터는 셀의 SRAM 부분에 쓰여지고 읽혀진다. 비-휘발성 기능은 시스템 파워가 나가거나 혹은 사용자가 저장 명령을 할 때 가능해 진다.
Autostore는 데이터 저장을 위해 사용되는 가장 일반적인 방식이다. 시스템 파워가 nvSRAM의 파워 모니터 회로에 의해 최저 작동 수준 이하로 떨어지는 것이 감지될 때 칩의 I/O는 SRAM에서 데이터가 파괴되는 것을 방지하기 위해 기능하지 않으며 그로 인해 저장 기능은 칩 내부에서 시작 된다. 작은 커패시터 (보통 22μf~68μf)의 에너지는 메모리 셀의 SRAM 부분으로부터 비-휘발성 성분으로 데이터 상태를 카피하기 위해 사용된다.
그림 2. nvSRAM 블록 다이어그램
이러한 비-휘발성 성분은 각 SRAM 비트와 타이트 하게 결합되며, 모든 데이터 비트는 하나의 패러렐 운용에서 전송된다. 파워가 파워를 재저장할 때 모니터는 SRAM으로 비-휘발성 성분의 데이터 상태를 재저장하면서 리콜 기능을 시작한다. 시스템 공급이 안정적이고 작동 준비가 되었을 때 데이터는 이벤트가 발생하지 않은 것 처럼 사용이 가능하다. 디바이스에 따라 선택된 저장 작용은 하드웨어 혹은 소프트웨어의 명령에 의해 또한 개시될 수 있다.
싸이프레스는 고성능 SRAM 메모리 셀로 비-휘발성 성분을 통합하기 위해 Silicon-Oxide-Nitride-Oxide-Silicon (SONOS) 공정에서 nvSRAMs을 제조하고 있다. Quantum Traptm 기술은 실리콘 질화물 절연 물질로 충전을 저장하기 위해 로우 이레이즈/프로그램 전류와 일렉트릭 필드를 활용한다. 저전류는 충전이 얇은 산화물 층을 통해 주입되기 때문에 가능하다. 이로 인해 전체 메모리 어레이를 동시에 저장하기 위한 높은 신뢰성과 기능이 가능해 진다.
절연 실리콘 산화물 층에 있는 저장된 충전은 접촉 스파이크, 산화물 파열 혹은 제조 결함 등의 오류로부터 또한 훨씬 작은 영향을 받는다. SONOS 공정은 아주 놓은 신뢰성과 제조 확장성을 입증하면서 임베디드 시스템은 물론 신뢰성이 높은 디스크리트 메모리 조건에서 10여년 간 이용되어 왔다. 가장 중요한 것으로 이 공정은 일반적이지 않은 물질이나 설비를 요구하지 않으며, 많은 대량 생산 웨이퍼 조립 설비에서 표준 CMOS 공정으로 통합되어 왔다는 점이다.
nvSRAM 비휘발성 스토리지가 데이터 보존을 위해 배터리 소스에 의존하지 않기 때문에 예측 가능한 것이다. SRAM에 쓰는 것은 무한한 반면 비-휘발성의 지구력은 200,000 저장 사이클이 보장된다. 비-휘발성 성분으로부터의 리콜은 지구력 사이클을 실행하지 않는다. 데이터 보존은 최종 저장 사이클 이후 20년 동안 지정된다.
nvSRAM은 싱글의 모놀로직 디바이스이며, 따라서 유사한 패키지 옵션과 함께 표준 SRAM의 조립과 높은 신뢰성에 대한 모든 효율성을 가진다. 싸이프레스는 현재 4 Mb 집적도를 통해 256Kb 부터 nvSRAMs을 공급하고 있으며, 더 큰 집적도의 제품들을 지속적으로 개발할 것이다. 액세스 타임은 15nsec에서 가능하다. 표면실장 SSOP, SOIC, TSOPII 그리고 BGA 패키지는 모두 리드 프리이며, 따라서 배터리와 RoHS 컴플라이언트compliant 패키지가 없어 배터리 지원의 SRAMs에 의해 나타난 현재와 미래의 문제점들을 없애준다.