如果不使用双单元 EEPROM，数据很容易丢失

作为一名工程师，会有多台笔记本电脑伴随你的大部分职业生涯。我的笔记本电脑是从 IBM ThinkPad 系列开始的，因为这种笔记本电脑结构坚固，性能可靠。我曾用过一台 ThinkPad 560X，还像 20 年前一样便携，但没有 CD 或软盘（还记得吗？）。后来，我换了台新的，然后再换一台，这样不断地更换。

大约十年前，我决定组装一个通过一台漂亮的紧凑型笔记本电脑控制的数字家庭立体声音响系统，而且也不会占用太多的空间。我觉得通过利用旧硬件来完成这项任务很有意义。对于 ThinkPad 560X 中的 Pentium 处理器来说，由内置 3.5 毫米驱动器中提供音频是没有任何压力的，因此我从旧物品中翻出这台笔记本电脑并围绕它构建我的家庭音响系统。

在一个灿烂的星期天早晨，我启动了这台笔记本电脑，这样我就可以在喝咖啡时欣赏笔记本电脑播放 Meat Loaf 的曲子。这是一个再平常不过周日早晨，直到几秒钟后，ThinkPad 的扬声器发出声音了：

哔哔哔哔！哔哔哔哔！

那些熟悉旧 BIOS 系统的人会在笔记本电脑加电自检 (POST) 的厄运声中惊恐地退缩的。我盯着屏幕，看到一个三位数的错误 POST 代码。

用我日常使用的笔记本电脑查找这个错误代码，希望这台笔记本电脑不会喜欢我的音乐爱好。太遗憾了，这个代码的意思是用来保存 BIOS 配置的 EEPROM 不再保留任何数据。多次重启均无济于事 - 数据完全消失了。

经过进一步的调查显示，ThinkPad 随后将其 BIOS 配置数据存储在焊接到主板上的串行 EEPROM 中。那时 EEPROM 技术仍处于发展阶段，半导体制造商一直在努力提高其器件的速度和可靠性，同时提高数据保存能力并降低成本。

我把笔记本电脑存放起来，偶尔打开，希望能启动成功而给我一个惊喜，但是就像任何甜蜜的恋爱关系破裂例了一样，美好的时光已经荡然无存。

如今，EEPROM 数据保存能力比以往任何时候都重要。随着物联网 (IoT)，工业物联网 (IIOT) 以及各种节点越来越要求更长的数据保存时间和更高的可靠性，EEPROM 制造商进行了重大改进，使数据安全性长达数十年。

例如，Rohm Semiconductor 提供了一系列汽车级 EEPROM，这些 EEPROM 旨在实现超长数据保持时间和高可靠性。BR24G64NUX-3ATTR 是一款具有 I²C 接口的 64 千位 (Kbit) 汽车级 EEPROM，Rohm 为其规定了 40 多年的数据保存时间和一百多万次的写操作能力。该器件采用 8 引脚 UFDFN 裸焊盘封装（图 1）。I²C 串行接口能够以 1 兆赫 (MHz) 频率连接主机微控制器，其 V_CC 范围为 1.7 至 5.5 V。

图 1：BR24G64NUX-3ATTR 是具有双单元存储结构的 64 Kb EEPROM，数据可以保存 40 多年。（图片源：Rohm Semiconductor）

BR24G64 EEPROM 系列具有多种数据保护功能。通过写保护 (WP) 引脚，可由外部电路对 EEPROM 数据施加硬件写保护。当 WP = GND 时，允许写入数据。当 WP = V_CC 时，EEPROM 存储阵列阻止所有数据写入。允许读取，也允许读取和写入内部寄存器。这样有助于在外部事件可能与写操作发生冲突期间，防止微控制器的主机固件写入 EEPROM。

许多 EEPROM 单比特位失效不会在正常操作过程中出现，而是在短时上电和断电事件期间出现。这种事件会产生虚假低压瞬变，可能导致无意添加的写入信号被施加到 EEPROM 单元，从而导致单比特位失效。为了避免这种情况的发生，Rohm 的汽车级 EPROM 采用了两个内部保护电路。上电复位保护电路会一直等到 V_CC 上升到最小内部电压，再将 V_CC 施加到芯片的其余部分。这样可以防止内部低压瞬变，并确保在上电事件期间 EEPROM 存储阵列不会损坏。第二个是欠压保护电路，用于防止当 V_CC 降得太低时对存储器进行多余写入。如果 V_CC 降到最低工作电压以下，EEPROM 会自行复位以防止 EEPROM 误写。

EEPROM 数据存储器设计用于快速读取和相对快速的写入。EEPROM 通过使电子穿过隧道氧化膜将数据写入存储单元。这种膜会随时间和温度的变化而出现性能退化，并且每次将数据写入单元时该膜都会变弱。即使在存放期间，这种薄膜也会因高温发生性能退化。最终，该存储单元将退化，导致存储位失效，最终使该单元处于逻辑 1 状态。这就是为什么 EEPROM 器件多年来一直遭受单比特位存储失效的困扰，也是为什么我想用 ThinkPad 560X 播放 Meat Loaf 曲子时会出现上述情况。随着 EEPROM 的消失，560X 显示了一个校验和失败的代码，这就是由于单比特位失效造成的悲惨结局。

Rohm 汽车级 EEPROM 的每个存储位都使用双单元结构。感测电路监视第一单元的状态。如果该单元快失效时，第二个单元投入，第一个单元停用。虽然这增加了晶片的尺寸，但却实现了 40 年的数据保留时间和一百多万次写操作能力。好吧，三分之二还不错。

总结

如果 Rohm Semiconductor 的高可靠性汽车级 EPROM 大约在 20 年前出现，那么我的 ThinkPad 560X 可能仍会播放音乐，而不是发出哔哔声！哔哔！在那个灿烂的星期天早晨，这是名副其实的灭亡。