W jaki sposób wykorzystać magnetorezystywną pamięć o dostępie swobodnym (MRAM) w celu zwiększenia niezawodności, obniżenia latencji i zmniejszenia mocy w przetwarzaniu brzegowym

Obserwujemy wzrost wykorzystania przetwarzania brzegowego w takich zastosowaniach, jak przemysłowy Internet rzeczy (IIoT), robotyka, urządzenia medyczne, urządzenia ubieralne, sztuczna inteligencja, motoryzacja oraz konstrukcje przenośne. Wraz z tym pojawia się zapotrzebowanie na nieulotne pamięci o wysokich prędkościach, niskich latencjach, niskiej mocy i niskich kosztach, przeznaczonych do przechowywania programów i kopii zapasowych danych. Dostępnych jest wiele opcji, takich jak statyczne pamięci o dostępie swobodnym (SRAM), dynamiczne pamięci RAM (DRAM), pamięci Flash oraz elektrycznie wymazywane i programowane pamięci tylko do odczytu (EEPROM), jednak każda z tych szeroko stosowanych technologii oznacza kompromisy w jednej lub kilku dziedzinach, które sprawiają, że nie są one idealnym rozwiązaniem w przetwarzaniu brzegowym.

Zamiast nich projektanci mogą zainteresować się magnetorezystywnymi pamięciami o dostępie swobodnym (MRAM). Urządzenia MRAM, jak sama nazwa wskazuje, przechowują dane w elementach magnetycznych i oferują całkowicie swobodny dostęp, umożliwiający swobodny odczyt i zapis w pamięci. Ich struktura i działanie zapewniają cechy pożądane w przetwarzaniu brzegowym, takie jak niska latencja, niski upływ, wysoka liczba cykli zapisu oraz długi czas retencji.

Artykuł porównuje pokrótce działanie i parametry powszechnie stosowanych technologii pamięci, takich jak EEPROM, SRAM i Flash z pamięcią MRAM. Następnie analizuje korzyści ze stosowania magnetorezystywnych pamięci o dostępie swobodnym (MRAM) w kilku zastosowaniach przetwarzania brzegowego, a także przedstawia konkretne urządzenia pamięci MRAM firmy Renesas Electronics, kilka porad dotyczących użycia pamięci MRAM, a także platformę ewaluacyjną wspomagającą projektantów w rozpoczęciu prac.

Porównanie technologii pamięci

Projektanci zastosowań przetwarzania brzegowego mogą wybierać spośród kilku technologii pamięci. Każda z nich charakteryzuje się innymi parametrami i kompromisami (ilustracja 1). Dynamiczna pamięć o dostępie swobodnym (DRAM) najczęściej jest pamięcią roboczą w różnego rodzaju procesorach wykorzystywaną podczas wykonywania programów. Jest ona niedroga, stosunkowo wolna (w porównaniu z pamięcią SRAM), zużywa dość dużo energii i przechowuje dane tylko tak długo, jak otrzymuje zasilanie. Ponadto komórki pamięci DRAM są podatne na uszkodzenia spowodowane promieniowaniem.

Statyczna pamięć o dostępie swobodnym (SRAM) jest szybsza i droższa od pamięci DRAM. Często jest używana jako pamięć podręczna procesorów, podczas gdy pamięć DRAM jest pamięcią główną. Zużywa ona najwięcej energii ze wszystkich opisywanych tu rodzajów pamięci. Podobnie jak pamięć DRAM, jest ona pamięcią ulotną. Komórki pamięci SRAM są podatne na uszkodzenie przez promieniowanie; zarówno pamięci DRAM, jak i SRAM zapewniają wysoką wytrzymałość.

Elektrycznie wymazywana i programowana pamięć tylko do odczytu (EEPROM) jest pamięcią nieulotną, która do wymazywania danych wykorzystuje napięcie doprowadzone z zewnątrz. Pamięci EEPROM są wolne i charakteryzują się ograniczoną wytrzymałością, zwykle nie przekraczającą miliona cykli, a także stosunkowo dużym zużyciem energii. Pamięci EEPROM obecnie są najrzadziej stosowaną spośród opisanych tutaj technologii.

Pamięć Flash jest wariantem pamięci EEPROM, jednak posiada znacznie większą pojemność oraz charakteryzuje się wyższymi prędkościami odczytu i zapisu, jednak nadal jest stosunkowo wolna. Pamięć Flash jest niedroga i przechowuje dane nawet przez 10 lat bez zasilania. Jednak pamięć Flash jest bardziej skomplikowana w użyciu w porównaniu z pozostałymi typami pamięci. Dane muszą być odczytywane blokami i nie mogą być odczytywane pojedynczymi bajtami. Ponadto komórki wymagają wymazania przed ponownym zapisaniem. Wymazywanie musi być wykonywane blokami, a nie indywidualnymi bajtami.

Z kolei magnetorezystywna pamięć o dostępie swobodnym (MRAM) jest pamięcią o dostępie całkowicie swobodnym. Umożliwia ona swobodny odczyt i zapis w pamięci. Pamięć MRAM charakteryzuje się również zerowym upływem w trybie pogotowia i łączy wytrzymałość 10¹⁶ cykli zapisu oraz możliwość retencji danych przekraczającą 20 lat w temperaturze 85°C. Aktualnie jest ona oferowana w gęstościach od 4Mb do 16Mb.

Technologia MRAM jest analogiczna do technologii Flash i jest kompatybilna z czasami zapisu oraz odczytu pamięci SRAM (pamięć MRAM jest czasem nazywana trwałą pamięcią SRAM (P-SRAM)). Ze względu na właściwości, pamięć MRAM jest szczególnie odpowiednia do zastosowań wymagających zapamiętywania i pobierania danych z minimalną latencją. Łączy ona niską latencję z niską mocą, nieskończoną wytrzymałością, skalowalnością i nieulotnością. Pamięci MRAM charakteryzują się odpornością na cząstki alfa, dlatego są odpowiednie do stosowania w urządzeniach, które są regularnie narażone na promieniowanie.

Ilustracja 1: magnetorezystywna pamięć o dostępie swobodnym (MRAM) jest nieulotna, podobnie jak pamięci Flash oraz EEPROM i charakteryzuje się czasami zapisu i odczytu kompatybilnymi z technologią SRAM. (Źródło ilustracji: Renesas Electronics)

Jak działa magnetorezystywna pamięć o dostępie swobodnym (MRAM)

Jak sama nazwa wskazuje, dane w pamięci MRAM są przechowywane z wykorzystaniem elementów magnetycznych. Elementy te mają postać dwóch płytek ferromagnetycznych utrzymujących namagnesowanie, oddzielonych cienką warstwą izolacyjną. Struktura taka nosi nazwę magnetycznego złącza tunelowego (MTJ). Jedna z dwóch płytek jest magnesem trwałym o biegunowości ustalonej podczas produkcji. Namagnesowanie drugiej płytki można zmieniać w celu przechowywania danych. Renesas Electronics w ostatnim czasie wprowadziła na rynek urządzenia MRAM, które wykorzystują zastrzeżoną technologię Spin Transfer Torque MRAM (STT-MRAM), która bazuje na prostopadłych magnetycznych złączach tunelowych (p-MTJ). Prostopadłe magnetyczne złącze tunelowe (p-MTJ) zawiera niezmienną warstwę magnetyczną, warstwę bariery dielektrycznej oraz zmienną warstwę magnetyczną przechowującą informacje (ilustracja 2).

Ilustracja 2: podstawowa komórka pamięci STT-MRAM składa się z jednego magnetycznego złącza tunelowego (MTJ) i jednego tranzystora dostępowego. (Źródło ilustracji: Avalanche Technology)

Podczas operacji programowania, orientacja warstwy przechowującej informacje jest przełączana elektrycznie ze stanu równoległego (stan niskiej rezystancji „0”) w stan antyrównoległy (stan wysokiej rezystancji „1”) i odwrotnie, w zależności od kierunku przepływu prądu przez element p-MTJ. Te dwa różne stany rezystancji są wykorzystywane do przechowywania i wykrywania danych.

Przykłady wykorzystania pamięci MRAM

Rejestracja danych, pamięci w węzłach Internetu rzeczy (IoT), uczenie maszynowe i sztuczna inteligencja w urządzeniach przetwarzania brzegowego oraz tagi RFID w szpitalach to tylko kilka przykładów użycia pamięci MRAM.

Rejestratory danych wymagają wielu megabitów pamięci nieulotnej, aby zapewnić długie okresy gromadzenia danych. Zwykle są one zasilane z baterii, ale mogą również wykorzystywać pozyskiwanie energii z otoczenia, dlatego wymagają użycia pamięci niskiej mocy. W przypadku utraty zasilania, zarejestrowane dane muszą być przechowywane przez nieograniczony czas. Pamięci MRAM spełniają wymagania rejestratorów danych dotyczące parametrów działania.

Trwałość pamięci MRAM w połączeniu z trybem ekstremalnie niskiego zużycia energii pozwala na stworzenie zunifikowanego rozwiązania pamięci kodów i danych w węzłach Internetu rzeczy (IoT) zasilanych z układów pozyskiwania energii z otoczenia lub źródeł bateryjnych o ekstremalnie małych rozmiarach (ilustracja 3). Ważnym czynnikiem branym pod uwagę w węzłach Internetu rzeczy (IoT) często jest również czas uruchamiania. Wdrożenie struktury „kodu na miejscu” (code-in-place) z wykorzystaniem pamięci MRAM pozwala skrócić czas uruchamiania, a także zredukować koszty całkowite wykazu materiałów, ze względu na mniejsze zapotrzebowanie na pamięci DRAM lub SRAM.

Ilustracja 3: prędkość, trwałość i retencja danych dla magnetorezystywnych pamięci o dostępie swobodnym (MRAM) odpowiadają wymaganiom węzłów Internetu rzeczy (IoT). (Źródło ilustracji: Avalanche Technology)

Trwałość oferowana przez pamięci MRAM pozwala również wdrażać węzły Internetu rzeczy (IoT) nowej generacji z funkcjami uczenia maszynowego, w których nie ma konieczności ponownego wczytywania algorytmów po każdym wybudzeniu urządzenia. Przetwarzanie lokalne obejmuje analizę danych z czujników, podejmowanie decyzji, a w niektórych przypadkach nawet zmianę konfiguracji węzła. Wspomniane lokalne funkcje inteligentne wymagają trwałej pamięci niskiej mocy. Urządzenia te pozwalają wdrożyć zgrubne wnioskowanie lokalne w czasie rzeczywistym i wykorzystywać technologie chmury do rozbudowanych analiz.

Prędkość pamięci MRAM pozwala na wdrażanie uczenia maszynowego w urządzeniach brzegowych, na przykład w systemach planowania zasobów przedsiębiorstwa (ERP), systemach realizacji produkcji (MES) oraz systemach kontroli nadzorczej i akwizycji danych (SCADA). W takich systemach następuje analiza danych, identyfikacja wzorów pośrednich oraz ich udostępnianie w sąsiednich domenach. Architektura brzegowa wymaga prędkości przetwarzania i pamięci trwałej.

Projektanci mogą również używać pamięci MRAM w urządzeniach medycznych, gdzie korzystne może być zastosowanie urządzeń identyfikacji radiowej (RFID). Dzięki niskiemu zużyciu energii oraz odporności na promieniowanie, są one odpowiednie do stosowania w środowiskach szpitalnych. Tagi identyfikacji radiowej (RFID) są stosowane w szpitalach w wielu celach, takich jak zarządzanie zapasami, zapewnienie bezpieczeństwa i opieki nad pacjentami, identyfikacja urządzeń medycznych oraz identyfikacja i monitorowanie materiałów eksploatacyjnych.

Szeregowe pamięci MRAM o wysokich parametrach

Projektanci systemów przetwarzania brzegowego obejmujących automatykę i sterowanie przemysłowe, urządzenia medyczne, urządzenia ubieralne, systemy sieciowe, urządzenia magazynowania danych/RAID, motoryzację i robotykę mogą wykorzystywać układy M30082040054X0IWAY firmy Renesas (ilustracja 4). Dostępne są gęstości w zakresie od 4Mb do 16Mb. Technologia MRAM firmy Renesas jest analogiczna do technologii Flash i jest kompatybilna z czasami zapisu oraz odczytu pamięci SRAM. Dane są zawsze przechowywane trwale, trwałość wynosi 10¹⁶ cykli zapisu, a czas retencji przekracza 20 lat w temperaturze 85°C.

Układy M30082040054X0IWAY posiadają szeregowy interfejs urządzeń peryferyjnych (SPI), co eliminuje potrzebę stosowania sterowników programowych urządzenia. SPI jest szeregowym interfejsem synchronicznym wykorzystującym oddzielne linie danych i zegara w celu zachowania idealnej synchronizacji hosta i urządzenia podrzędnego. Zegar informuje odbiornik kiedy dokładnie należy próbkować bity na linii danych. Może to być zbocze narastające (od stanu niskiego do wysokiego) lub opadające (od stanu wysokiego do niskiego), albo obydwa zbocza sygnału zegara.

Ilustracja 4: układ M30082040054X0IWAY oferuje schematy zarówno sprzętowej, jak i programowej ochrony danych. Ochrona sprzętowa odbywa się za pośrednictwem wtyku WP#. Ochroną programową sterują bity konfiguracji w rejestrze statusu. Obydwa schematy uniemożliwiają zapis do rejestrów i tablicy pamięci. (Źródło ilustracji: Renesas)

Układ M30082040054X0IWAY obsługuje technologię eXecute-In-Place (XIP), która pozwala na wykonywanie serii instrukcji odczytu i zapisu bez konieczności indywidualnego wczytywania poleceń odczytu lub zapisu dla każdej instrukcji. Dlatego tryb XIP zmniejsza obciążenie poleceniami i skraca czas swobodnego dostępu do odczytu i zapisu.

Układ M30082040054X0IWAY oferuje schematy zarówno sprzętowej, jak i programowej ochrony danych. Ochrona sprzętowa odbywa się za pośrednictwem wtyku WP#. Ochroną programową sterują bity konfiguracji w rejestrze statusu. Obydwa schematy uniemożliwiają zapis do rejestrów i tablicy pamięci. Posiada on 256-bajtową rozszerzoną tablicę magazynu, niezależną od tablicy pamięci głównej. Jest ona programowana przez użytkownika i może być chroniona przed przypadkowym zapisem.

W celu jeszcze lepszego przystosowania do zastosowań niskiej mocy, układy M30082040054X0IWAY posiadają dwa stany niższej mocy: głębokie wyłączenie oraz hibernacja. Dane nie są tracone, gdy urządzenie znajduje się w jednym z wymienionych trybów niskiej mocy. Ponadto urządzenie zachowuje wszystkie swoje konfiguracje.

Urządzenie jest dostępne w niewielkich obudowach 8-polowych DFN (WSON) oraz 8-wtykowych SOIC. Obudowy te są zgodne z podobnymi pamięciami ulotnymi i nieulotnymi niskiej mocy. Są one oferowane w zakresach temperatur roboczych przemysłowych (od -40°C do 85°C) i przemysłowych plus (od -40°C do 105°C).

Wykorzystanie pamięci MRAM

Magnetorezystywne pamięci o dostępie swobodnym (MRAM) pozwalają na znaczne zmniejszenie zużycia energii w porównaniu z innymi technologiami pamięci. Jednak ilość zaoszczędzonej energii różni się w zależności od sposobu użycia w konkretnym zastosowaniu. Podobnie do innych pamięci nieulotnych, prąd zapisu jest znacznie wyższy od prądu odczytu i pogotowia. Z tego względu w zastosowaniach, w których zużycie energii ma znaczenie krytyczne, zaleca się minimalizację czasów zapisu, szczególnie tam, gdzie zapisy do pamięci odbywają się często. Krótsze czasy zapisu w pamięciach MRAM pozwalają rozwiązać ten problem i zmniejszyć zużycie energii w porównaniu z innymi dostępnymi pamięciami nieulotnymi, takimi jak EEPROM lub Flash.

Dodatkowe oszczędności energii są możliwe dzięki wykorzystaniu pamięci MRAM w architekturze bramkowania zasilania i możliwie częstym przełączaniu pamięci w tryb pogotowia. Krótsze czasy włączania i zapisu w pamięciach MRAM pozwalają na częstsze przełączanie pamięci MRAM w tryb pogotowia w porównaniu z innymi pamięciami nieulotnymi. Korzystny jest również zerowy upływ w pamięciach MRAM. Należy pamiętać, że w przypadku stosowania bramkowania zasilania, często wymagany jest większy kondensator odsprzęgający gromadzący energię włączania zasilania.

Płytka ewaluacyjna magnetorezystywnej pamięci o dostępie swobodnym (MRAM)

Aby pomóc projektantom w rozpoczęciu pracy z układami M30082040054X0IWAY, firma Renesas oferuje zestaw ewaluacyjny M3016-EVK. Zawiera on pamięć MRAM o pojemności 16Mb i pozwala użytkownikom na opracowywanie interaktywnych rozwiązań sprzętowych z wykorzystaniem popularnych płytek Arduino (ilustracja 5). Zestaw plug-n-play zawiera płytkę hosta Arduino i oprogramowanie emulatora terminala, które komunikuje się z interfejsem USB komputera hosta. Płytka ewaluacyjna jest montowana na płytce hosta Arduino UNO za pośrednictwem listew UNO R3. Dostarczone programy pozwalają użytkownikom na szybką ewaluację działania urządzenia magnetorezystywnej pamięci o dostępie swobodnym (MRAM).

Ilustracja 5: zestaw ewaluacyjny M3016-EVK jest montowany na płytce hosta Arduino UNO i umożliwia szybką ewaluację działania magnetorezystywnej pamięci o dostępie swobodnym (MRAM). (Źródło ilustracji: Renesas)

Podsumowanie

Projektowanie urządzeń przetwarzania brzegowego z wykorzystaniem konwencjonalnych technologii pamięci, takich jak DRAM, SRAM, Flash i EEPROM wiąże się z licznymi kompromisami skutkującymi ograniczeniem parametrów działania. Projektanci zajmujący się przetwarzaniem brzegowym mogą zainteresować się niedawno wprowadzonymi na rynek magnetorezystywnymi pamięciami o dostępie swobodnym (MRAM), które oferują całkowicie swobodny dostęp, umożliwiający swobodny odczyt i zapis w pamięci.

Magnetorezystywne pamięci o dostępie swobodnym (MRAM) pozwalają na zaspokojenie takich potrzeb projektantów urządzeń przetwarzania brzegowego, jak: konieczność przechowywania i pobierania danych bez znacznych latencji, niskie zużycie energii dzięki zerowemu upływowi w trybie pogotowia, a także możliwość wykonania 10¹⁶ cykli zapisu oraz możliwość retencji danych przekraczającą 20 lat w temperaturze 85°C.

Rekomendowane artykuły

1. Inteligentne systemy zabezpieczeń wykorzystujące przetwarzanie brzegowe