不使用雙儲存單元 EEPROM，資料很容易遺失

身為工程師，在您的職業生涯中，有許多時間都有個人筆記型電腦相伴。我一開始使用 IBM 的 ThinkPad 系列，因為其具備紮實的構造，而且非常可靠。我曾擁有一部 ThinkPad 560x，在 20 年前可說是可攜式電腦，因為沒有光碟機或軟碟機 (還記得這些裝置嗎？)。但最終還是被另一台筆記型電腦取代，再由另一台取代，然後無止盡循環。

大約十年前，我決定組裝一部數位家庭音響系統，並由一台美觀小巧，不太佔用層架空間的筆記型電腦控制。針對此任務，賦予老舊硬體新的用途是合理的做法。對 ThinkPad 560X 的 Pentitum 處理器來說，要讓內建的 3.5 mm 磁碟機當作音訊輸出裝置並沒有問題，因此我將筆電從倉庫中取出，並此以為基礎打造我的家庭音響系統。

我在晴朗的星期天早上將筆記型電腦開機，就可一邊品嚐咖啡，一邊透過喇叭聆聽「肉塊合唱團」的歌曲。那是正常不過的週日早晨，直到幾秒鐘後，我聽到 ThinkPad 的喇叭發出：

嗶嗶嗶！ 嗶嗶嗶！

熟悉老舊 BIOS 系統的人，聽到筆記型電腦在開機自我檢測 (POST) 時不斷發出蜂鳴聲，應該都會陷入恐懼。我望向螢幕，看到三位數的 POST 錯誤碼。

我在每天使用的筆電上搜尋此錯誤碼資訊，希望或許只是筆電不喜歡我的音樂品味而已。唉，這代碼告訴我，用來保留 BIOS 配置的 EEPROM 再也不想保存資料。不管重新啟動多少次都無濟於事，已經壽終正寢了。

進一步調查發現，ThinkPad 當時將其 BIOS 配置資料儲存在主機板焊接式序列 EEPROM 中。EEPROM 技術在當時仍不斷演進，且半導體製造商努力讓裝置的運作速度加快且更加可靠，同時改善資料的保留能力並降低成本。

我將筆記型電腦放在倉庫且偶爾會開機，希望某天會成功啟動讓我驚喜，但就像任何已變質的關係一樣，再也回不去了。

如今，EEPROM 的資料保留能力比以往更加重要。物聯網 (IoT)、工業 IoT (IIOT) 和節點都要求更長的資料保留時間，同時還要提高可靠性，因此 EEPROM 製造商都大幅改進，讓資料安全保留長達數十年。

舉例來說，ROHM Semiconductor 就提供一系列汽車級 EEPROM，可達到超長久的資料保留時間和可靠性。BR24G64NUX-3ATTR 是採用 I²C 介面的 64 Kbit 車用 EEPROM，ROHM 指明其擁有超過 40 年的資料保留能力以及超過 100 萬次的寫入週期。此元件採用 8 引腳的 UFDFN 裸焊盤封裝(圖 1)。I²C 序列介面能在 1.7 至 5.5 V_CC 範圍內，以 1 MHz 速度與主機微控制器介接。

圖 1：BR24G64NUX-3ATTR 是 64 Kbit 的 EEPROM，具有雙儲存單元記憶體結構，可保留資料超過 40 年。(圖片來源：ROHM Semiconductor)

BR24G64 EEPROM 系列具有多種資料保護功能。寫入保護 (WP) 引腳能讓外部電路對 EEPROM 資料施加硬體式寫入保護。當 WP = GND，可允許寫入資料。當 WP = V_CC，會阻止任何資料寫入到 EEPROM 記憶體陣列中。允許讀取，也可允許對內部暫存器進行讀取和寫入。在外部事件與寫入操作發生衝突時，這有助於預防微控制器主機韌體寫入到 EEPROM。

在正常操作下，許多 EEPROM 單位元故障並不會發生，但會在短暫啟動和斷電事件期間發生。這些事件會造成雜散的低電壓暫態，會導致意外產生的寫入訊號施加到 EEPROM 儲存單元，進而導致單位元故障。為了避免此情況，ROHM 的車用 EEPROM 具有兩個內部保護電路。開機重置保護電路會等到 V_CC 上升到最低內部電壓，再將 V_CC 施加到晶片的其餘部分。如此即可避免內部低壓暫態，並可確保 EEPROM 記憶體陣列不會在開機期間受損。第二種電路是欠壓保護電路，可在 V_CC 下降太多時，避免對記憶體進行無關的寫入。如果 V_CC 低於最低工作電壓，EEPROM 會自行重置，避免 EEPROM 假性寫入。

EEPROM 資料記憶體的設計可達到快速讀取操作和相對快速的寫入。EEPROM 以電子通過穿隧氧化物薄膜的方式將資料寫入到記憶體儲存單元中。薄膜會隨著時間和溫度而衰退，且儲存單元的每次寫入都會讓薄膜退化。即使處於存放狀態，高溫也會讓薄膜衰退。儲存單元最終會衰退，導致記憶體位元故障，而讓儲存單元停留在邏輯 1 的位置。這就是 EEPROM 多年來不斷受到單位元記憶體故障困擾的原因，也是我將 ThinkPad 560X 開機要播放「肉塊合唱團」歌曲時發生的悲劇。EEPROM 壽終正寢後，560X 顯示了核對和故障的代碼，正式宣告由單位元故障引發的悲慘結局。

ROHM 的車用 EEPROM 針對各個記憶體位元採用雙儲存單元結構。感測電路會監測第一個儲存單元的狀態。若儲存單元即將故障，第二個單元就會在第一個單元停用時介入操作。雖然這會讓晶粒尺寸變大，但可達到 40 年的資料保留時間，以及超過 100 萬次的寫入週期。嗯，就像肉塊合唱團的歌曲《Two Out of Three Ain’t Bad》，這樣已經不錯了。

結論

如果 ROHM Semiconductor 在大約 20 年前就推出高可靠度車用 EEPROM，我的 ThinkPad 560X 現在還可播放音樂，而不只是不停發出嗶嗶聲而已。嗶！緬懷於晴朗週日早晨當之無愧的消逝。