Sin el uso de la EEPROM de doble celda, los datos se pierden fácilmente

Como ingeniero, gran parte de su carrera profesional va acompañada de una serie de computadoras portátiles personales. Comencé con la línea IBM ThinkPad porque contaba con una construcción muy sólida y eran muy confiables. Una vez tuve una ThinkPad 560X que era tan portátil como las que había hace 20 años, sin CD ni disquete (¿lo recuerda?). Finalmente se reemplazó por otra computadora portátil, luego por otra, y así sucesivamente.

Hace unos diez años decidí armar un sistema estéreo digital doméstico controlado por una buena computadora portátil compacta que no ocupara mucho espacio en el estante. Tenía sentido reutilizar un equipo viejo para la tarea. Sacar audio desde la unidad de 3.5 mm incorporada no era un problema para el procesador Pentium en la ThinkPad 560X, así que saqué la computadora portátil del depósito y construí el sistema de audio doméstico.

Un domingo soleado por la mañana encendí la computadora portátil para escuchar a Meat Loaf mientras tomaba un sorbo de café. Era un domingo por la mañana como cualquier otro hasta que segundos después escuché por los altavoces de la ThinkPad:

¡BIP! ¡BIP!

Aquellos que estén familiarizados con el viejo sistema BIOS retrocederán espantados ante el sonido del pitido fatal de la prueba automática de encendido (POST) de la computadora portátil. Miré la pantalla y vi un código POST de error de tres dígitos.

Al ir a mi computadora portátil con controlador diario, busqué el código de error y esperé que la computadora portátil hubiera decidido que no le gustaba mi gusto por la música. Por desgracia, el código indicaba que la Memoria Programable y Borrable de Solo Lectura que se usó para mantener la configuración del BIOS ya no estaba interesada en retener sus datos. Los numerosos reinicios fueron infructuosos: desapareció.

Una investigación adicional reveló que las ThinkPads en ese entonces almacenaban sus datos de configuración del BIOS en una Memoria Programable y Borrable de Solo Lectura serial soldada en la placa base. La tecnología de la Memoria Programable y Borrable de Solo Lectura todavía estaba evolucionando en ese entonces, con los fabricantes de semiconductores trabajando persistentemente para hacer que sus dispositivos fueran más rápidos y confiables al tiempo que mejoraban la retención de datos y bajaban los costos.

Mantuve la computadora portátil guardada, de vez en cuando la encendía y esperaba que me sorprendiera al arrancar, pero como cualquier buena relación que salió mal, los viejos tiempos eran historia.

Hoy, la retención de datos de la Memoria Programable y Borrable de Solo Lectura es más importante que nunca. Con el Internet de las cosas (IoT), el Internet de las cosas industrial (IIOT) y los nodos que exigen una retención de datos mucho más larga con una confiabilidad mejorada, los fabricantes de Memorias Programables y Borrables de Solo Lectura han realizado mejoras significativas que permiten que los datos estén seguros durante décadas.

Por ejemplo, Rohm Semiconductor ofrece una selección de Memorias Programables y Borrables de Solo Lectura de grado automotriz que están diseñadas para una vida útil muy larga de retención de datos y confiabilidad. La BR24G64NUX-3ATTR es una EEPROM automotriz de 64 kilobits (Kbit) con una interfaz I²C que Rohm ha especificado durante más de 40 años de retención de datos y más de un millón de ciclos de escritura. Se presenta en un paquete con placa expuesta UFDFN de 8 pines (Figura 1). La interfaz serial I²C puede conectarse a un microcontrolador receptor a 1 megahercio (MHz) con un rango V_CC de 1.7 a 5.5 voltios.

Figura 1: La BR24G64NUX-3ATTR es una EEPROM de 64 Kbit con una estructura de memoria de doble celda que puede retener datos durante más de 40 años. (Fuente de la imagen: Rohm Semiconductor)

La familia BR24G64 de EEPROM tiene varias características de protección de datos. Un pin de protección de escritura (WP) permite que un circuito externo imponga protección de escritura de equipo de los datos de la EEPROM. Cuando WP = GND, se permiten escrituras de datos. Cuando WP = V_CC, todas las escrituras de datos se bloquean en la matriz de memoria EEPROM. Se permiten las lecturas, al igual que las lecturas y escrituras en registros internos. Esto se puede usar para ayudar a evitar que el firmware del receptor del microcontrolador escriba en la EEPROM durante un evento externo que pueda entrar en conflicto con una operación de escritura.

Muchas fallas de un solo bit de la EEPROM no ocurren durante la operación normal sino durante los cortos eventos de encendido y apagado. Estos eventos generan transitorios con señal falsa y de bajo voltaje que pueden conducir a una señal de escritura inadvertidamente añadida a una celda de la EEPROM y resultar en una falla de un solo bit. Para evitar esto, las EEPROM automotrices de Rohm tienen dos circuitos de protección internos. El circuito de protección de reinicio del encendido espera hasta que el V_CC haya alcanzado un voltaje interno mínimo, después de lo cual aplica V_CC al resto del chip. Esto evita los transitorios internos de bajo voltaje y garantiza que la matriz de memoria de la EEPROM no se dañe durante los eventos de encendido. El segundo es un circuito de protección de bajo voltaje para evitar escrituras extrañas en la memoria cuando el V_CC cae demasiado bajo. Si el V_CC cae demasiado por debajo del voltaje operativo mínimo, la EEPROM se reinicia para evitar una escritura con señal falsa en ella.

La memoria de datos de la EEPROM está diseñada para operaciones de lectura rápida y una escritura relativamente rápida. Las EEPROM escriben datos en una celda de memoria al pasar electrones a través de una lámina de óxido de túnel. La lámina puede degradarse con el tiempo y la temperatura y se debilita con cada escritura de celda. Incluso en almacenamiento, las altas temperaturas pueden degradar la lámina. Eventualmente, la celda se degradará, lo que resultará en una falla de bit de memoria que mantendrá la celda atascada en una lógica 1. Es por eso que las EEPROM a lo largo de los años han estado plagadas de fallas de memoria de un solo bit, que es lo que sucedió con mi ThinkPad 560X cuando la encendí para reproducir Meat Loaf. Con la EEPROM desaparecida, el 560X me dio un código para una falla de suma de verificación, el triste final debido a una falla de un solo bit.

Las EEPROM automotrices de Rohm utilizan una estructura de doble celda para cada bit de memoria. Un circuito sensorial monitorea el estado de la primera celda. Si la celda está por fallar, la segunda celda intervendrá mientras la primera está desactivada. Si bien esto aumenta el tamaño del molde, resulta en 40 años de retención de datos y más de un millón de ciclos de escritura. Bueno, dos de cada tres no está mal.

Conclusión

Si las EEPROM automotrices y de alta confiabilidad de Rohm Semiconductor hubieran existido hace 20 años, mi ThinkPad 560X todavía estaría reproduciendo música, en lugar de emitir un pitido ¡Bip! ¡Bip! a un desafortunado fracaso, ese brillante domingo por la mañana.