Zastosowanie pamięci F-RAM w urządzeniach długoterminowego przechowywania danych o ultraniskim zużyciu energii, zasilanych z baterii

Niezawodność długoterminowego przechowywania danych jest coraz istotniejszym wymogiem w mobilnych urządzeniach z zasilaniem bateryjnym, przeznaczonych dla konsumentów, przemysłu i innych segmentów. Konwencjonalne technologie pamięci nieulotnej (NVM), takie jak pamięć flash lub programowalna pamięć tylko do odczytu wymazywalna elektrycznie (EEPROM), zaspokajały tę potrzebę w poprzednich generacjach produktów.

Jednak w przypadku najnowszych, zaawansowanych produktów mobilnych, ciągłe oczekiwania użytkowników odnośnie do wydłużenia czasu pracy na bateriach znacznie ograniczyły możliwości zapewnienia niezawodnej pamięci masowej bez uszczerbku dla wydajności projektu i budżetu na energię.

W niniejszym artykule przedstawiono grupę ferroelektrycznych pamięci o dostępie swobodnym (F-RAM) firmy Cypress Semiconductor Excelon i zademonstrowano w jaki sposób można je wykorzystać, aby spełnić wymagania dotyczące niezawodnego długotrwałego przechowywania w urządzeniach zasilanych bateryjnie.

Wyzwania związane z przechowywaniem danych w urządzeniach przenośnych

W projektach urządzeń ubieralnych, urządzeń IoT i innych produktów przenośnych potrzeba dużych, nieulotnych pamięci wynika bezpośrednio ze zwiększonych możliwości tych produktów. Zapotrzebowanie użytkowników na coraz większą ilość informacji spowodowało, że w tych projektach integrowanych jest coraz więcej typów czujników pracujących przy coraz wyższych rozdzielczościach i z coraz większymi częstotliwościami aktualizacji. Jednocześnie użytkownicy oczekują, że zaawansowane produkty będą umożliwiały im szeroki wgląd w dane historyczne i trendy, a nie tylko prosty widok aktualnych danych z czujników. Urządzenie musi również być w stanie na żądanie wytwarzać katalogi tych danych bez aktywnego połączenia z chmurą, smartfonem lub innym urządzeniem zewnętrznym.

Projektanci starający się spełnić te podstawowe wymagania za pomocą konwencjonalnych technologii NVM napotykają na wiele trudności, szczególnie w przypadku projektów o ograniczonej mocy. Czasy zapisu dla wielu technologii NVM są z natury znacznie dłuższe niż w przypadku pamięci RAM ze względu na konieczność wydłużenia cykli wymaganych do zakończenia procesu programowania. W przypadku konwencjonalnej pamięci EEPROM czas zapisu może wynieść nawet kilka milisekund. Nawet przy zaawansowanej pamięci flash wydajność jest pogorszona ze względu na potrzebę dodatkowego „czasu nasiąkania” wymaganego podczas cykli zapisu. Z kolei dłuższe cykle zapisu oznaczają zwiększony całkowity pobór prądu, wraz z mniejszą szybkością aktualizacji danych. Co więcej konwencjonalne urządzenia NVM mają zazwyczaj ograniczoną wytrzymałość na zapis. Urządzenia mogą ulec zużyciu w okresie użytkowania produktu, jeśli będziemy je stosować z powtarzającymi się cyklami zapisu wymaganymi do rutynowego przechowywania danych.

W przypadku coraz większej liczby produktów zasilanych bateryjnie, urządzenia w technologii NVM F-RAM stanowią prostsze rozwiązanie w zakresie długoterminowych pamięci, które gwarantuje połączenie szybkości, wytrzymałości i niskiego zużycia energii. Typowe urządzenia pamięci F-RAM charakteryzują się wytrzymałością na zapis i czasem cyklu zapisu o wiele rzędów wielkości lepszymi niż pamięci EEPROM i flash, a nawet prędkością zbliżają się do statycznej pamięci RAM (SRAM). W efekcie pamięć F-RAM łączy w sobie zalety wydajności konwencjonalnej pamięci RAM z pojemnością nieulotnych pamięci masowych innych technologii NVM. Wśród rozwiązań F-RAM, seria urządzeń pamięci F-RAM Cypress Semiconductor Excelon LP o niskim zużyciu energii (low-power) idzie dalej, spełniając podstawowe wymagania dotyczące bardzo niskiego zużycia energii w zasilanych bateryjnie urządzeniach ubieranych i innych produktach mobilnych.

Pamięć F-RAM o ultraniskim zużyciu energii

Urządzenia pamięci F-RAM Cypress Excelon LP są zintegrowanymi podsystemami pamięci nieulotnej, które łączą w sobie macierze pamięci F-FRAM, rejestry, logikę sterowania i interfejsu oraz specjalny sektor przeznaczony do przechowywania zawartości nawet w trzech standardowych fazach lutowania rozpływowego (ilustracja 1).

Ilustracja 1: urządzenia pamięci F-RAM Cypress Excelon LP integrują macierze pamięci F-RAM i obsługujące je obwody, by stworzyć kompletny podsystem pamięci dostępny poprzez standardowe porty SPI. (Źródło ilustracji: Cypress Semiconductor)

Urządzenia pamięci F-RAM Excelon LP zapewniają wysoki poziom długoterminowej niezawodności, który znacznie przewyższa typową pamięć EEPROM czy flash. Urządzenia te charakteryzują się wytrzymałością 10¹⁵ cykli odczytu/zapisu i czasem przechowywania danych wynoszącym 151 lat, co przekracza realistyczny cykl życia niemal każdego urządzenia ubieralnego lub IoT.

Wydajność zapisu tych urządzeń zwiększa również ogólną niezawodność zastosowań. Ponieważ urządzenia te zapisują dane do macierzy nieulotnych pamięci F-RAM z prędkością magistrali, znacznie zmniejsza to prawdopodobieństwo utraty danych w porównaniu z innymi typami urządzeń NVM. Znacznie dłuższy czas zapisu w tych urządzeniach i związana z tym konieczność wewnętrznego buforowania danych tworzą duże okno narażenia danych na utratę w przypadku awarii zasilania przed zakończeniem sekwencji zapisu.

W odróżnieniu od innych technologii NVM, urządzenia pamięci F-RAM Excelon LP działają przy minimalnym poziomie prądu potrzebnym do wydłużenia czasu pracy baterii w produktach przenośnych. Seria 8-megabitowych (Mb) pamięci F-RAM LP Cypress CY15x108QI pracujących z częstotliwością 20 megaherców (MHz) zużywa tylko 1,3 miliampera (mA), natomiast seria pamięci F-RAM LP 4Mb Cypress CY15x104QI zużywa tylko 1,2 mA. Poniżej omówiono szczegółowo w jaki sposób urządzenia te umożliwiają również deweloperom dalsze zredukowanie bieżącego zużycia prądu.

Zaprojektowane do obsługi szerokiego zestawu wymagań systemowych, produkty z grupy Excelon LP są dostępne zarówno dla komercyjnych, jak i przemysłowych zakresów temperatur pracy, a także dla różnych napięć zasilania. Na przykład, CY15V104QI 4Mb i CY15V108QI 8Mb pracują z napięciem zasilania wynoszącym od 1,71V do 1,89V, natomiast CY15B104QI 4Mb i CY15B108QI 8Mb są przeznaczone do pracy z napięciem zasilania wynoszącym od 1,8V do 3,6V.

Proste projektowanie systemu

Oprócz odpowiedniego dopasowania do wymagań eksploatacyjnych różnych zastosowań, urządzenia te upraszczają projektowanie systemu. W typowym projekcie deweloperzy korzystają z magistrali szeregowego interfejsu urządzeń peryferyjnych (Serial Peripheral Interface - SPI), aby podłączyć jedno lub więcej urządzeń pamięci F-RAM Excelon LP jako urządzenia podrzędnego SPI do urządzenia nadrzędnego SPI, takiego jak mikrokontroler (ilustracja 2).

Ilustracja 2: deweloperzy mogą dodać do swoich projektów długoterminową pamięć masową po prostu podłączając jedno lub więcej urządzeń pamięci F-RAM Cypress Semiconductor Excelon LP do magistrali SPI kontrolowanej przez urządzenie nadrzędne SPI, takie jak mikrokontroler. (Źródło ilustracji: Cypress Semiconductor)

Transakcje na komunikacyjnej magistrali SPI są proste i szybkie. Podczas zapisu do pamięci, urządzenia pamięci F-RAM Excelon LP działają bez dodatkowych opóźnień zapisu odnotowywanych wcześniej dla technologii flash lub EEPROM. Ponieważ każdy bajt dociera do urządzenia poprzez magistralę SPI, jest on natychmiast zapisywany w macierzy pamięci F-RAM, co znacznie zmniejsza ryzyko utraty danych z powodu nagłej awarii zasilania.

Dla dewelopera systemu proces zapisu odbywa się za pomocą prostego protokołu SPI z wykorzystaniem standardowych kodów operacji SPI. Główny procesor rozpoczyna każdą sekwencję zapisu przesyłając kod WREN (06h), jednocześnie podnosząc i obniżając stan linii chip select (ØCS). Po tej krótkiej fazie inicjalizacji procesor główny rozpoczyna operację zapisu, przesyłając kod zapisu (02h), po którym następuje 24-bitowy adres. (W tych urządzeniach cztery górne bity adresu są ignorowane, ale zapewniają kompatybilność z przyszłymi urządzeniami F-RAM o większej gęstości). Natychmiast po wysłaniu adresu, procesor główny może rozpocząć przesyłanie bajtów danych (ilustracja 3).

Ilustracja 3: podczas standardowej sekwencji zapisu SPI, urządzenia pamięci F-RAM Cypress Semiconductor Excelon LP natychmiast zapisują dane do macierzy pamięci F-RAM bez żadnych opóźnień czasowych typowych dla wcześniejszych technologii NVM. (Źródło ilustracji: Cypress Semiconductor)

W miarę jak procesor główny wysyła bajty danych, urządzenie pamięci F-RAM automatycznie powiększa adres wewnętrzny, dopóki procesor główny będzie utrzymywał linię ØCS na niskim poziomie i kontynuował przesyłanie sygnałów taktowania. Dzięki temu projektanci mogą korzystać z urządzeń pamięci F-RAM Excelon LP w projektach, które wymagają dowolnej kombinacji zapisu jednobajtowego i blokowego.

Operacje odczytu przebiegają według podobnego protokołu SPI. Po obniżeniu ØCS, główny procesor przesyła kod operacji (03h) i 24-bitowy adres. Urządzenie pamięci F-RAM Excelon LP reaguje natychmiast, przesyłając bajty danych na linii SO z każdym cyklem taktowania sygnału zegarowego SCK. Podobnie jak operacje zapisu, operacje odczytu są kontynuowane, dopóki procesor główny utrzymuje ØCS na niskim poziomie i nadal wysyła sygnały taktowania zegarowego SCK.

Wydłużenie czasu pracy baterii

Oprócz prostych wymagań projektowych, pamięci F-RAM o niskim zużyciu energii umożliwiają deweloperom zmniejszenie zużycia prądu i wydłużenie czasu pracy baterii. Urządzenia Cypress CY15x10xQI, zaprojektowane specjalnie do zastosowań zasilanych bateryjnie, integrują wbudowane układy kontroli prądu uruchomieniowego, które redukują stosunkowo duże natężenie prądu generowane zazwyczaj podczas włączania zasilania urządzeń NVM.

Urządzenia pamięci F-RAM Cypress Excelon LP sprawiają również, że deweloperzy mogą stosować różne strategie w celu wydłużenia czasu pracy baterii w urządzeniach ubieralnych oraz IoT, które wykorzystują czujniki do śledzenia stosunkowo powolnego postępu rzeczywistych zdarzeń. W tych projektach, urządzenia pamięci F-RAM Cypress Excelon LP mogą zazwyczaj pracować z niższą częstotliwością taktowania, co zmniejsza zużycie prądu. Dla przykładu: podczas pracy przy taktowaniu o częstotliwości 1MHz, pobór prądu urządzenia CY15V108QI 8Mb spada do 300 mikroamperów (µA) z 1,3mA wykorzystywanych przy urządzeniu pracującym na częstotliwości 20MHz. Podobnie urządzenie CY15V104QI 4Mb wymaga jedynie 200µA przy częstotliwości 1MHz w porównaniu z 1,2mA przy częstotliwości 20MHz.

Korzystając ze specjalnych trybów niskiego zużycia energii dostępnych w urządzeniach pamięci F-RAM Excelon LP, deweloperzy mogą dodatkowo zminimalizować zużycie energii przez system w okresach bezczynności, które rutynowo występują w urządzeniach ubieralnych i zastosowaniach IoT. Urządzenia pamięci F-RAM obsługują trzy tryby niższego poboru mocy, które pozwalają deweloperom na obniżenie poboru prądu kosztem czasu odpowiedzi.

Urządzenia automatycznie przechodzą w pierwszy tryb niższego poboru mocy (tryb pogotowia) gdy ØCS przyjmuje stan wysoki w celu zakończenia sekwencji SPI. I odwrotnie, urządzenia automatycznie wychodzą z trybu pogotowia, gdy ØCS przyjmuje stan niski w celu rozpoczęcia nowej sekwencji SPI. W trybie pogotowia, pamięć F-RAM CY15V108QI Excelon LP 8Mb zużywa tylko 3,5µA, a CY15V104QI 4 Mb tylko 2,3µA.

Tryb pogotowia zapewnia natychmiastowe automatyczne obniżenie prądu bez konieczności wprowadzania dodatkowych opóźnień w celu powrotu do normalnego trybu pracy. W przypadku zastosowań o długich okresach bezczynności nawet taki pobór prądu niepotrzebnie na dłuższą metę skraca żywotność baterii. W takich przypadkach, urządzenia pamięci F-RAM Excelon LP mają do dyspozycji dwa dodatkowe tryby niskiego poboru mocy - tryb głębokiego wyłączenia zasilania i tryb hibernacji.

W odróżnieniu od domyślnego trybu pogotowia, tryby głębokiego wyłączenia zasilania i hibernacji są wprowadzane za pomocą specjalnych kodów operacji SPI. Podobnie jak w przypadku operacji odczytu i zapisu SPI, urządzenie nadrzędne SPI wydaje polecenie głębokiego wyłączenia zasilania (DPD) kodem (BAh) lub hibernacji (HBN) kodem (B9h) i tym samym nakazuje urządzeniu pamięci F-RAM wejście w odpowiedni tryb niskiego poboru mocy (ilustracja 4).

Ilustracja 4: deweloperzy mogą korzystać ze standardowych protokołów SPI, aby ustawić urządzenie pamięci F-RAM Cypress Semiconductor Excelon LP w tryb głębokiego wyłączenia zasilania (DPD) lub hibernacji (HIB), które znacznie zmniejszają pobór prądu, ale powodują opóźnienia wejścia (t_ENTxxx) i wyjścia (t_EXTxxx) zależne od trybu. (Źródło ilustracji: Cypress Semiconductor)

Wpływ trybów niskiego poboru mocy jest zasadniczy przy poborze prądu poniżej 1µA (tabela 1). Chociaż znacznie zmniejszają one natężenie prądu w urządzeniu, korzystanie z tych trybów jest pójściem na pewnego rodzaju kompromis, który może mieć wpływ na operacje na danych wrażliwe na czas. Tryby niskiej mocy DPD i HIB powodują dodatkowe opóźnienia wejścia w dany tryb (t_ENTDPD lub t_ENTHIB) oraz wyjścia z danego trybu (t_EXTDPD lub t_EXTHIB) (tabela 1 i ilustracja 4).

Tabela 1: pobór prądu w trybach zasilania urządzenia pamięci F-RAM Excelon LP wraz z towarzyszącymi im opóźnieniami wejścia w tryb głębokiego czuwania lub hibernacji (t_ENTDPD lub t_ENTHIB) lub wyjścia z nich (t_EXTDPD lub t_EXTHIB). Liczby odnoszą się do komercyjnych wersji niskonapięciowych o zakresie napięcia zasilania od 1,71V do 1,89V i zakresie temperatur pracy od 0°C do +70°C. (Źródło ilustracji: arkusz danych pamięci F-RAM Cypress Excelon LP)

Korzystając z wywoływanych kodami operacyjnymi trybów niskiego poboru mocy, deweloperzy muszą zrównoważyć korzyści płynące z niższego zużycia prądu w tych trybach z czasem potrzebnym do wejścia w nie i wyjścia z nich. Każdy system, który wchodzi w wydłużone okresy bezczynności, prawdopodobnie powinien korzystać z jednego z tych trybów, ale konkretny wybór trybu zależy w znacznym stopniu od oczekiwanego cyklu pracy urządzeń pamięci F-RAM w aktywnych okresach użytkowania. W przypadku urządzeń pamięci F-RAM, które muszą pracować w trybach wysokiego obciążenia, koszty wielokrotnego wejścia w tryb niskiego poboru mocy i wyjścia z niego mogą przynieść efekt przeciwny do zamierzonego. Na przykład, firma Cypress sugeruje, że każde zastosowanie z okresem bezczynności wynoszącym 10 sekund lub więcej jest doskonałym kandydatem do wprowadzenia trybu hibernacji.

Podsumowanie

Pojawiająca się potrzeba długoterminowego przechowywania danych w zasilanych bateryjnie urządzeniach ubieralnych oraz IoT sprawia, że deweloperzy poszukują urządzeń NVM, które oferują niskie zużycie energii bez ograniczeń wydajności typowych dla konwencjonalnych technologiami NVM, takich jak pamięć EEPROM i flash. Bazując na naturalnej szybkości i niezawodności technologii pamięci F-RAM, urządzenia pamięci F-RAM Cypress Semiconductor Excelon o niskim zużyciu energii (LP) łączą w sobie mniejsze zapotrzebowanie na prąd z programowalnymi trybami niższego poboru mocy, które mogą zmniejszyć zużycie prądu poniżej jednego mikroampera. Korzystając z urządzeń pamięci F-RAM Cypress Excelon LP, deweloperzy mogą szybko uzupełnić zasilane bateryjnie produkty o możliwość długoterminowego przechowywania danych, gwarantując jednocześnie szybkość konwencjonalnej pamięci o dostępie swobodnym i możliwość niezawodnego przechowywania danych przez ponad 150 lat.