I dati andrebbero persi facilmente senza le EEPROM a doppia cella

Per buona parte della sua carriera, un ingegnere usa un laptop. Io ho iniziato con la linea IBM ThinkPad, perché era molto solida ed estremamente affidabile. Ho avuto un ThinkPad 560X, il massimo tra i portatili 20 anni fa, senza CD o floppy (ve li ricordate?). Fu poi sostituito da un altro laptop, poi da un altro, e così via.

Una decina di anni fa, decisi di realizzare un impianto stereo digitale a casa, controllato da un laptop compatto per non occupare molto spazio. Per lo scopo, avrei recuperato del vecchio hardware. Produrre audio con l'unità da 3,5 mm incorporata non sarebbe stato un problema per il processore Pentium del ThinkPad 560X, quindi tolsi il laptop dal ripostiglio e lo usai per il mio impianto stereo.

Una domenica mattina, accesi il laptop per darmi la carica con i Meat Loaf mentre facevo colazione. Era una normalissima domenica mattina, finché dopo pochi secondi gli altoparlanti del ThinkPad iniziarono a fare

Biiiiiiiip! Biiiiiiiip!

Alcuni di voi si ricorderanno del temibile suono dell'autotest di accensione (POST) del BIOS. Sullo schermo era visualizzato un codice POST a tre cifre.

Andai al mio laptop di lavoro e cercai il codice di errore, sperando che magari il laptop avesse deciso improvvisamente che non gli piaceva la mia musica. Invece, il codice diceva che la EEPROM che memorizzava la configurazione del BIOS non era più interessata a conservarne i dati. Fu inutile provare a riavviare il computer più volte, ormai era fritto.

Con alcune ricerche, scoprii che i ThinkPad allora memorizzavano i dati di configurazione del BIOS in una EEPROM seriale saldata sulla scheda madre. Ai tempi, la tecnologia EEPROM era in evoluzione e i produttori di semiconduttori cercavano di rendere i dispositivi più veloci e affidabili, migliorando al tempo stesso la conservazione dei dati e contenendo i costi.

Avevo tenuto il laptop nel ripostiglio e speravo che mi avrebbe fatto una sorpresa avviandosi, ma come in ogni relazione che non finisce bene, i bei giorni di una volta non sarebbero più tornati.

Oggi la conservazione dei dati nella EEPROM è più importante che mai. Con l'Internet delle cose (IoT), l'IoT industriale (IIoT) e i nodi che richiedono tempi di conservazione molto più lunghi e migliore affidabilità, i produttori di EEPROM hanno fatto notevoli passi in avanti per garantire la sicurezza dei dati per decine di anni.

Ad esempio, ROHM Semiconductor offre una selezione di EEPROM di grado automotive, progettate per una lunghissima durata in termini di conservazione dei dati e affidabilità. BR24G64NUX-3ATTR è una EEPROM di tipo automotive a 64 kbit con interfaccia I²C che ROHM garantisce per oltre 40 anni di conservazione dati e oltre un milione di cicli di scrittura. Viene fornita in un contenitore a piazzola esposta UFDFN a 8 pin (Figura 1). L'interfaccia seriale I²C può essere utilizzata con un microcontroller host a 1 MHz con intervallo V_CC da 1,7 a 5,5 V.

Figura 1: BR24G64NUX-3ATTR è una EEPROM a 64 kbit con struttura di memoria a doppia cella, in grado di conservare i dati per oltre 40 anni. (Immagine per gentile concessione di ROHM Semiconductor)

La famiglia di EEPROM BR24G64 ha diverse caratteristiche per la protezione dei dati. Un pin di protezione dalla scrittura (WP) consente a un circuito esterno di imporre la protezione dalla scrittura via hardware dei dati sulla EEPROM. Quando WP = GND, è possibile scrivere dati. Quando WP = V_CC, la scrittura di tutti i dati nell'array della memoria EEPROM è impedita. La lettura è consentita, così come la lettura e la scrittura nei registri interni. Questa funzione può essere utilizzata per impedire al firmware del microcontroller di scrivere nella EEPROM durante un evento esterno che potrebbe essere in conflitto con un'operazione di scrittura.

Molti errori a singolo bit della EEPROM non si verificano durante il normale funzionamento ma durante i brevi eventi di accensione e spegnimento. Questi eventi infatti generano transitori di bassa tensione spuri, che possono causare un picco inaspettato del segnale di scrittura sulla cella della EEPROM e di conseguenza un errore a singolo bit. Per evitare situazioni di questo tipo, le EPROM automotive di ROHM hanno due circuiti di protezione interni. Il circuito di protezione di reset all'accensione attende che V_CC raggiunga una tensione interna minima e quindi applica V_CC al resto del chip. In questo modo si evitano transitori di bassa tensione interni, impedendo che l'array della memoria EEPROM venga danneggiato durante gli eventi di accensione. Il secondo è un circuito di protezione dalla sottotensione, che impedisce scritture estranee nella memoria quando V_CC si abbassa troppo. Se V_CC si abbassa oltre la tensione di funzionamento minima, la EEPROM si ripristina per evitare scritture spurie.

La memoria dati EEPROM è progettata per operazioni di lettura rapide e scritture relativamente veloci. Le EEPROM scrivono dati in una cella di memoria facendo passare elettroni in un film a ossido di tunnel che può deteriorarsi nel tempo e a causa della temperatura e quindi indebolirsi a ogni scrittura nella cella. Anche quando il dispositivo è immagazzinato le temperature elevate possono deteriorare il film. Di conseguenza, si deteriora anche la cella e il risultato è un errore dei bit della memoria che blocca la cella su una logica 1. Questo è il motivo per cui per anni le EEPROM sono state flagellate da errori a singolo bit, esattamente ciò che è avvenuto con il mio ThinkPad 560X, quando l'ho acceso per ascoltare i Meat Loaf. Con la EEPROM fuori gioco, il 560X ha visualizzato un codice di errore di checksum, la triste fine dovuta a un errore a singolo bit.

Le EEPROM automotive di ROHM usano una struttura a doppia cella per ogni bit di memoria. Un circuito di rilevamento tiene sotto controllo lo stato della prima cella. Se è prossima all'errore, interviene la seconda cella e la prima viene disattivata. Sebbene questa architettura aumenti le dimensioni del die, permette di arrivare fino a 40 anni di conservazione dei dati e oltre un milione di cicli di scrittura. Due vantaggi su tre non è poi così male.

Conclusione

Se le EPROM automotive ad alta affidabilità di ROHM Semiconductor fossero state disponibili 20 anni fa, il mio ThinkPad 560X adesso riprodurrebbe la mia musica anziché emettere continui bip! bip! e abbandonarmi tristemente una bella domenica mattina.