EEPROM

EEPROM (англ. Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory) — электрически стираемое перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство (ППЗУ), класс энергонезависимой памяти, допускающей многократную запись и стирание данных путём подачи электрических сигналов. В отличие от масочных ПЗУ и однократно программируемых ПЗУ, EEPROM позволяет изменять содержимое ячеек без извлечения микросхемы из устройства и без использования ультрафиолетового излучения (как в EPROM). Основное применение — хранение микропрограмм (прошивок), калибровочных констант, конфигурационных параметров и уникальных идентификаторов в микроконтроллерах, компьютерной периферии, бытовой электронике, автомобильной и промышленной автоматике.

История

Предпосылки и изобретение

Развитие полупроводниковой памяти в 1960–1970-х годах привело к созданию масочных ПЗУ (ROM) и программируемых ПЗУ (PROM), которые можно было записать только один раз. В 1971 году компания Intel представила EPROM (1702) — память, стираемую ультрафиолетовым светом, что позволило перепрограммировать микросхемы, но требовало специального оборудования и длительного облучения. Потребность в более удобном, электрическом стирании привела к разработке EEPROM.

Первая коммерческая микросхема EEPROM была выпущена компанией Intel в 1978 году — модель 2816 объёмом 16 Кбит (2 КБ). Она использовала технологию плавающего затвора (Floating Gate), предложенную Давоном Кангом и Саймоном Сзе в 1967 году. В отличие от EPROM, стирание в EEPROM производилось побайтно или постранично с помощью электрического напряжения, что значительно упростило обновление прошивок в устройствах.

Развитие и совершенствование

В 1980-х годах EEPROM стала стандартом для хранения настроек в телевизорах, видеомагнитофонах, автомобильных блоках управления. Основные производители — Intel, Atmel, Microchip, STMicroelectronics, Renesas — конкурировали в увеличении плотности записи и снижении напряжения программирования (с 21 В до 5 В и ниже). В 1990-х годах появились микросхемы с последовательным интерфейсом (I²C, SPI) — это позволило уменьшить количество выводов и упростить разводку печатных плат.

К концу 1990-х годов EEPROM уступила часть рынка флеш-памяти (NAND и NOR), которая обеспечивала большую плотность записи при меньшей стоимости. Однако EEPROM сохранила нишу для приложений, требующих побайтной записи и высокой надёжности (например, хранение ключей шифрования, счётчиков наработки, калибровок датчиков). В 2000-х годах технология была интегрирована в микроконтроллеры (встроенная EEPROM) и использовалась в RFID-метках, SIM-картах, банковских картах.

Устройство и принцип работы

Ячейка памяти

Основой EEPROM является транзистор с плавающим затвором (Floating Gate MOSFET). В отличие от обычного полевого транзистора, у которого затвор является управляющим электродом, в ячейке EEPROM имеется два затвора:

• Управляющий затвор (Control Gate) — подключён к внешней цепи.
• Плавающий затвор (Floating Gate) — изолирован слоем диэлектрика (обычно диоксида кремния) и не имеет электрического соединения с другими элементами.

Заряд, хранящийся на плавающем затворе, определяет пороговое напряжение транзистора. Если на плавающем затворе накоплены электроны (отрицательный заряд), пороговое напряжение повышается, и транзистор не открывается при подаче стандартного напряжения на управляющий затвор — это соответствует логическому «0». Если электронов нет, пороговое напряжение низкое, транзистор открывается — логическая «1».

Запись и стирание

Процесс записи (программирования) основан на эффекте туннелирования Фаулера — Нордгейма. При подаче высокого напряжения (обычно 12–18 В) между управляющим затвором и истоком/стоком электроны преодолевают тонкий слой диэлектрика (толщиной около 10 нм) и попадают на плавающий затвор. Для стирания напряжение подаётся обратной полярности, и электроны «вытягиваются» с плавающего затвора обратно в подложку.

В отличие от EPROM, где стирание производится ультрафиолетовым светом, в EEPROM стирание электрическое и может выполняться для отдельных байтов, страниц (обычно 16–128 байт) или всего массива. Это даёт гибкость, но увеличивает площадь ячейки (требуется дополнительный транзистор для изоляции ячейки при стирании).

Интерфейсы и организация

EEPROM выпускается в виде микросхем с параллельным или последовательным интерфейсом:

• Параллельный интерфейс — используется в ранних моделях и в системах, требующих высокой скорости доступа (например, в некоторых контроллерах дисководов). Адресные и данные линии передаются по отдельным выводам, что требует большого количества контактов (до 28–32).
• Последовательный интерфейс — современные EEPROM используют I²C (двухпроводной), SPI (четырёхпроводной) или MicroWire (трёхпроводной). Это уменьшает количество выводов до 8 и позволяет легко интегрировать память в малогабаритные устройства.

Объём типичной микросхемы EEPROM варьируется от 1 Кбит (128 байт) до 4 Мбит (512 КБ). Время записи одного байта составляет от 1 до 10 мс, время чтения — десятки наносекунд (для параллельных) или микросекунды (для последовательных). Ресурс записи обычно составляет от 100 000 до 1 000 000 циклов на ячейку, что значительно выше, чем у флеш-памяти NAND (10 000–100 000 циклов). Срок хранения данных — не менее 10–20 лет при комнатной температуре.

Классификация

По типу интерфейса

• Параллельные EEPROM — используются в системах с прямым доступом к памяти (например, в некоторых старых материнских платах для хранения BIOS).
• Последовательные EEPROM — I²C, SPI, MicroWire. Наиболее распространены в современной электронике.

По напряжению программирования

• Стандартные — требуют внешнего источника высокого напряжения (12–21 В) для записи.
• С низким напряжением — используют встроенный генератор повышения напряжения (charge pump), работают от 5 В или 3,3 В.
• Сверхнизковольтные — работают от 1,8 В и ниже (применяются в портативной технике).

По встроенной организации

• Внешние (дискретные) — отдельные микросхемы, устанавливаемые на печатную плату.
• Встроенные (embedded) — интегрированы в микроконтроллеры (например, в AVR, PIC, STM32). Объём встроенной EEPROM обычно невелик (от 256 байт до 4 КБ), но она доступна без дополнительных выводов.

Применение

Микроконтроллеры и встраиваемые системы

EEPROM используется для хранения:

• Калибровочных данных — коэффициенты коррекции датчиков (температуры, давления, освещённости).
• Конфигурации — настройки пользователя (яркость, громкость, язык интерфейса).
• Счётчиков наработки — количество включений, моточасы, пробег.
• Уникальных идентификаторов — серийные номера, MAC-адреса, ключи шифрования.

Компьютерная техника

• BIOS/UEFI — в ранних материнских платах EEPROM использовалась для хранения базовой системы ввода-вывода (BIOS). Современные UEFI чаще используют флеш-память NOR, но EEPROM остаётся в некоторых серверных и промышленных платах.
• Периферийные устройства — клавиатуры, мыши, принтеры, сканеры хранят настройки в EEPROM.

Автомобильная электроника

• Блоки управления двигателем (ECU) — хранят калибровки, карты зажигания, ограничения оборотов.
• Аудиосистемы и навигация — запоминают радиостанции, маршруты, настройки эквалайзера.
• Иммобилайзеры и ключи — хранят криптографические ключи для аутентификации.

Промышленность и автоматика

• ПЛК (программируемые логические контроллеры) — хранение программы и параметров.
• Счётчики электроэнергии, воды, газа — запись показаний и тарифов.
• Медицинское оборудование — калибровки приборов (глюкометры, тонометры, инфузионные насосы).

Бытовая электроника

• Телевизоры и пульты ДУ — хранение каналов, громкости, настроек изображения.
• Стиральные машины, микроволновые печи — сохранение программ стирки/приготовления.
• Игрушки и гаджеты — запись рекордов, настроек, звуковых файлов (в небольших объёмах).

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Энергонезависимость — данные сохраняются при отключении питания.
• Побайтная запись — возможность изменять отдельные байты без перезаписи всего массива (в отличие от флеш-памяти, где требуется стирание целых блоков).
• Высокий ресурс — до 1 000 000 циклов записи на ячейку (у флеш-памяти — 10 000–100 000).
• Низкое энергопотребление — в режиме хранения ток практически отсутствует; при чтении — единицы микроампер.
• Малые габариты — микросхемы в корпусах SOIC-8, TSSOP-8, DFN-8 занимают минимальную площадь.

Недостатки

• Невысокая плотность записи — площадь ячейки EEPROM больше, чем у ячейки флеш-памяти (из-за дополнительного транзистора для стирания). Максимальный объём дискретной EEPROM редко превышает 4 Мбит.
• Относительно низкая скорость записи — 1–10 мс на байт (для сравнения, флеш-память записывает страницы за 0,1–1 мс).
• Ограниченный ресурс — хотя 1 000 000 циклов много для большинства приложений, для систем с интенсивной записью (например, журналы событий) этого может не хватить.
• Более высокая стоимость — в пересчёте на бит EEPROM дороже флеш-памяти.

Сравнение с другими типами энергонезависимой памяти

EEPROM занимает нишу между энергонезависимой памятью с высокой надёжностью (FRAM, MRAM) и дешёвой флеш-памятью. Она незаменима в приложениях, где требуется частое изменение отдельных байтов (например, счётчики, калибровки) и где недопустимы ошибки записи.

Интересные факты

• Первая EEPROM (Intel 2816) имела объём всего 2 КБ и требовала напряжения программирования 21 В.
• В космической технике EEPROM используется редко из-за чувствительности к радиации (одиночные сбои). Вместо неё применяют FRAM или радиационно-стойкие ПЗУ.
• В некоторых микроконтроллерах (например, AVR ATmega) встроенная EEPROM эмулируется программно с использованием флеш-памяти, если аппаратная EEPROM отсутствует.
• Ресурс EEPROM (1 млн циклов) кажется большим, но при записи каждую секунду он исчерпается за 11,5 дней. Поэтому в системах с частой записью применяют алгоритмы «wear leveling» (равномерное распределение записи по ячейкам).

Источники

• Intel Corporation. «Intel 2816 EEPROM Data Sheet». 1978.
• Канг Д., Сзе С. «Floating Gate Memory Device». IEEE Transactions on Electron Devices, 1967.
• Microchip Technology. «EEPROM Memory Basics». Application Note AN-1001.
• STMicroelectronics. «M24Cxx Series I²C EEPROM Datasheet».
• Белов А. В. «Микроконтроллеры AVR: от простого к сложному». — М.: Наука и техника, 2010.
• Wikipedia. «EEPROM» (англ.).