Bild 1: Die nvSRAM können als RAM als auch als sichere nichtflüchtige Datenspeicher eingesetzt werden.

Bild 1: Die nvSRAM können als RAM als auch als sichere nichtflüchtige Datenspeicher eingesetzt werden. Dacom West/Anvo-Systems Dresden

Die Speicherung von Informationen ist ein Grundprinzip mit besonders hoher Bedeutung. Bereits bei Lebewesen werden Daten in Molekülen gespeichert. Der Mensch erfand die Schrift und später den Druck von Büchern und Zeitschriften, um Informationen und Wissen anderen zur Verfügung zu stellen. Seit Beginn der Computertechnik wurden viele weitere Verfahren zur Datenspeicherung entwickelt. Ursprünglich eingesetzte Lochkarten und Lochbänder waren relativ langsam und für große Datenmengen nicht gut geeignet. Auf Basis des bei Tonbändern eingesetzten magnetischen Verfahrens wurden später Disketten und Festplatten entwickelt. In den 1960er Jahre begann die Entwicklung von Computerschaltkreisen. Dazu gehörten auch Speicherschaltkreise. Auf Basis der Halbleitertechnik wurden ROM- und RAM-Speicher entwickelt. Während die ROM-Versionen nichtflüchtige Speicher sind, verlieren RAMs beim Ausschalten der Betriebsspannung die Daten. Ein ROM, heute in Form des EEPROMs oder Flashspeichers, dient zum Abspeichern von Programmen. Ein RAM wird dagegen als Arbeitsspeicher benutzt. Es werden nur aktuell abzuarbeitende Programme und Daten während der Betriebszeit gespeichert. Weiterentwicklungen der nichtflüchtigen Speicher sind Flash-Speicher, MRAM und FRAM.

nvSRAM

Heute gibt es einen innovativen Nachfolger mit besonderen Eigenschaften. Die Firma Anvo-Systems Dresden produziert Schaltkreise mit der neuen Speichertechnologie für non-volatile SRAMs. Jede Speicherzelle besteht aus einer SRAM-Zelle mit einer differenziellen Sonos-3-Transistorzelle als Schattenzelle zur nichtflüchtigen Datenspeicherung. Sonos ist die Abkürzung von Silizium-Oxid-Nitrid-Oxid-Silizium, womit der Aufbau symbolisiert ist. Anstelle des bei anderen Speichern eingesetzten allseitig isolierten floatendem Polysiliziums wird Siliziumnitrid eingesetzt. Prinzipiell handelt es sich dabei um zwei überlagerte Speicher, einen SRAM und einen Flashspeicher (Bild 2). Im SRAM gespeicherte Daten werden beim Abschalten der Betriebsspannung oder per Befehl in die Flashspeicherzelle übernommen. Beim Einschalten der Betriebsspannung läuft der Vorgang in umgekehrter Richtung ab. Die Daten der Flashspeicherzelle werden in die SRAM-Zelle übertragen. Die Übertragung erfolgt dabei für alle Bit gleichzeitig innerhalb weniger Millisekunden. Hiermit entsteht ein beachtlicher Vorteil. Beim Ausfall der Betriebsspannung sind die Daten weiterhin für 100 Jahre sicher gespeichert. Jeder Speicherschaltkreis garantiert unendlich viele SRAM-Schreib-Lesezyklen und Datentransferzyklen Flash zu SRAM. Für die Speicherung und den Rückruf der Daten in der Flashzelle sind 100.000 Zyklen garantiert.

Bild 2: Die nvSRAM bestehen aus Sonos-Zellen, die als RAM und als Flashspeicher arbeiten.

Bild 2: Die nvSRAM bestehen aus Sonos-Zellen, die als RAM und als Flashspeicher arbeiten. Dacom West/Anvo-Systems Dresden

Das Prinzip der nvSRAMs garantiert die bei anderen RAMs typischen Eigenschaften kurzer Zugriffszeiten und die unbegrenzte Zahl von Schreib- und Lese-Zyklen. Der besondere Vorteil des nvSRAMs ist die Funktion als nichtflüchtiger Speicher. Daten können während des Datenverarbeitungsprozesses ständig geändert werden. Trotzdem bleiben sie bei fehlender Betriebsspannung unbegrenzte Zeit gespeichert. Bild 3 verdeutlicht das Prinzip beim Spannungsausfall. Unterschreitet der Betriebsspannungsabfall den unteren Grenzwert werden die Daten innerhalb von etwa 8 ms in den Flashzellen gespeichert. Dabei erfolgt die Umschaltung der Spannungsversorgung automatisch auf einen externen Kondensator. Dessen Kapazität kann im Bereich von 47 bis 68 µF liegen. Das Prinzip der nvSRAMs hat dadurch Vorteile. Sie können sowohl als Arbeitsspeicher für die Verarbeitung von Daten verwendet werden, als auch als Datenspeicher zur langfristigen Datensicherung.

Die Speicher-Produkte

Die von der Firma Anvo-Systems Dresden hergestellten Schaltkreise können über den Distributor Dacom West bezogen werden. Die nvSRAMs werden je nach Typ über SPI-, I2C-Bus oder über ein Parallelinterface mit dem Mikrocontroller verbunden. Die Typen mit dem SPI-Bus arbeiten bei einer Taktrate von 66 MHz im SPI-Mode 0 und 3. Bei diesen SPI-Typen sind zusätzliche Sicherheitsfunktionen nutzbar. Dazu gehören die prüfsummengeschützten Funktionen Secure Write und Secure Read. Durch Prüfsummenberechnung können Datenfehler erkannt werden. Ebenso wird das Zeitverhalten überwacht. Die Schaltkreise sind mit unterschiedlicher Speicherkapazität (64, 256 und 512 Kbit sowie 1 Mbit) und  in den IC-Gehäusen SOP8 und DFN8 verfügbar. Alternativ können Schaltkreise mit I2C-Bus eingesetzt werden. Die Taktrate ist auf 1 MHz begrenzt. Der Betrieb ist ebenfalls im Spannungsbereich 2,7 bis 3,6 V möglich. Es sind zwei 64-Kbit-Typen vorzugsweise im SOP8-Gehäuse verfügbar: Anv32A62W  und  32A62A.

Bild 3: Beim Spannungsausfall werden die Daten in den Flashspeicher innerhalb von 8 ms übernommen.

Bild 3: Beim Spannungsausfall werden die Daten in den Flashspeicher innerhalb von 8 ms übernommen. Dacom West/Anvo-Systems Dresden

Die nvSRAMs mit Parallelport stehen im BGA48-Gehäuse mit 6 x 8 Pins zur Verfügung. Die Datengeschwindigkeit liegt bei 25 ns. Es sind drei Versionen mit unterschiedlicher Speicherkapazität lieferbar:  256 Kbit Anv22A88W sowie 1 Mbit als Anv22AA8W sowie 22AA8A. Die W-Typen arbeiten mit Betriebsspannungen von 2,7 bis 3,6 V, bei den A-Typen ist die Spannung auf den Bereich von 3,0 bis 3,6 V begrenzt. Sie sind im Temperaturbereich -40 bis +85 °C einsetzbar.

Anwendungen für nvSRAM

Schnelles Auslesen und Speichern von Daten sowie sichere Datenspeicherung sind heute wichtige Voraussetzungen für Anwendungen in vielen Bereichen. Dazu gehören zum Beispiel  Autoindustrie, industrielle Maschinen und Roboter, Landwirtschaft, Medizintechnik, das intelligente Haus, Mess- und Überwachungsgeräte und mehr. Einige Beispiele sollen das verdeutlichen.

In der Medizintechnik ist zum Beispiel zur Erkennung bestimmter Krankheiten eine ganztägige Messung des Blutdrucks oder der EKGs erforderlich. Solche Daten können per Bluetooth oder WLAN zum Handy oder ins Internet übertragen werden. Der ständige Zugriff erhöht den Stromverbrauch. Werden die Messdaten in nvSRAMs zwischengespeichert, ist eine dauerhafte Übertragung nicht erforderlich. Die Messdaten werden in komplexeren Datenblöcken im Abstand von zum Beispiel einer Stunde übertragen. Das reduziert den Stromverbrauch des Handys und beim WLAN sind die Daten auch dann sicher, wenn zu dem Zeitpunkt kein Zugriff möglich ist. Dies ist ein sinnvolles Verfahren der sich heute verbreitenden IoT-Systeme.

Nonvolotile SRAM

Jede Speicherzelle nvSRAMs besteht aus einer SRAM-Zelle mit einer differenziellen Sonos-3-Transistorzelle als Schattenzelle zur nichtflüchtigen Datenspeicherung. Sonos ist die Abkürzung von Silizium-Oxid-Nitrid-Oxid-Silizium, womit der Aufbau symbolisiert ist.

In der Tierhaltung wird heute immer mehr Tierwohl gefordert. In Hühnerstellen wird durch biologische Vorgänge beispielsweise Ammoniak erzeugt. Dieses muss ständig gemessen werden, um die Lüftungsanlagen zu aktivieren. Gleichzeitig kann eine Langzeitüberwachung erfolgen. Die Messwerte können ganztägig gespeichert werden. Daten können bei der späteren Auswertung bestimmten Vorfällen zugeordnet werden. Genauso ist eine solche Anwendung bei der Überwachung des Kohlendioxids und Kohlenmonoxids in einer mit Kohle oder Holz beheizten Wohnung sinnvoll. Frühzeitig lassen sich manchmal auftretende Probleme des Schornsteins erkennen.

Die Stromversorgung der Wohnung soll künftig mit einem Smart Meter gemessen und per Internet weitergeleitet werden. Eine Zwischenspeicherung zeitlich einzelner Daten im nvSRAM vereinfacht das Verfahren und Einbrecher können nicht per Funk erkennen, ob in der Wohnung gerade niemand anwesend ist.

In der Geologie können Vibrationen bestimmter Gebiete einer Stadt oder an Häusern gemessen und zwischengespeichert werden. Durch eine spätere Auswertung ist die Zuordnung zu den Ursachen möglich. Bei einem stabilen Aufbau des Messgerätes stehen die Daten auch zur Verfügung, wenn es bereits ein großes Problem gegeben hat.

In einigen wirtschaftlichen Bereichen müssen Arbeitnehmer ihre Arbeitszeit aufzeichnen. Mit einem speziellen Handgerät, welches die Daten speichert, reduziert sich der bürokratische Aufwand.

Die nvSRAMs sind ebenso in speziellen Karten zur Zahlung oder Erlaubnis von bestimmten Aktionen einsetzbar.

Der Einsatz der nvSRAMs ist bei nahezu allen Schaltungen auf Basis von Mikrocontrollern sinnvoll. Anhand der genannten Beispiele lassen sich weitere kreative Anwendungen ausdenken.