Articolul compară pe scurt capabilitățile de performanță ale tehnologiilor de memorie obișnuite, precum EEPROM, SRAM și flash cu MRAM.
Figura 1: Celula de bază a STT-MRAM este alcătuită dintr-un MTJ și un tranzistor de acces. (Sursa imaginii: Avalanche Technology)
Apoi va trece în revistă beneficiile utilizării MRAM în mai multe aplicații de tip “edge computing”, după care va prezenta câteva dispozitive MRAM de la Renesas Electronics, sfaturi privind utilizarea lor și o platformă de evaluare pentru a ajuta proiectanții să înceapă proiectarea.
Utilizarea tehnologiei de calcul la periferia rețelei (edge computing) este în creștere în aplicații precum Internetul Industrial al Lucrurilor (IIoT), robotică, dispozitive medicale, dispozitive purtabile, inteligență artificială, industria auto și echipamente portabile. Pe lângă această creștere, este nevoie de memorie de mare viteză, cu latență redusă, nevolatilă, cu consum redus de putere și costuri minime pentru utilizări, cum ar fi stocarea programelor și salvarea datelor. Deși există multe opțiuni disponibile, precum memoria statică cu acces aleatoriu (SRAM), memoria RAM dinamică (DRAM), memoria flash și memoria nevolatilă EEPROM (Electrically erasable programmable read-only memory), fiecare dintre aceste tehnologii utilizate pe scară largă necesită compromisuri în unul sau mai multe domenii, ceea ce le face mai puțin adecvate pentru edge computing.
Prin urmare, proiectanții se pot orienta către memoriile magnetorezistive cu acces aleatoriu (MRAM). Dispozitivele MRAM, după cum sugerează și numele, stochează datele în elemente de stocare magnetice și oferă un acces aleatoriu veritabil, permițând atât citirea, cât și scrierea aleatorie în memorie. Structura și funcționarea lor sunt de așa natură încât acestea se caracterizează printr-o latență redusă, pierderi minime, număr mare de cicluri de scriere și retenție ridicată, toate acestea fiind foarte dorite pentru calculul ‘edge’.
Comparație între tehnologiile de memorie
Proiectanții de aplicații de procesare la marginea rețelei au de ales între mai multe tehnologii de memorie, fiecare dintre acestea oferind diverse capabilități de performanță, dar și compromisuri (Tabelul 1). DRAM asigură cel mai frecvent memoria de lucru pentru diferite tipuri de procesoare în timpul execuției software. Este ieftină, relativ lentă (în comparație cu SRAM), consumă cantități semnificative de energie și păstrează datele doar atât timp cât există alimentare cu energie. În plus, celulele de memorie DRAM pot fi afectate de radiații.
SRAM este mai rapidă și mai scumpă decât DRAM. Este adesea utilizată ca memorie cache pentru procesoare, în timp ce DRAM asigură memoria principală. Este cea mai mare consumatoare de energie dintre memoriile descrise aici și, la fel ca DRAM, este o memorie volatilă. Și celulele SRAM pot fi afectate de radiații, dar ambele memorii oferă o bună anduranță.
EEPROM este o memorie nevolatilă care utilizează o tensiune aplicată din exterior pentru a șterge datele. EEPROM-urile sunt lente, au o durată de viață limitată − de obicei până la un milion de cicluri − și consumă o cantitate relativ mare de energie. Memoria EEPROM este în prezent cea mai puțin utilizată dintre tehnologiile de memorie descrise aici.
Flash este o variantă a memoriei EEPROM, cu o capacitate de stocare mult mai mare și cu viteze de citire/scriere mai mari, dar este încă relativ lentă. Flash este ieftină, iar datele pot fi păstrate până la 10 ani în condiții de oprire a alimentării. Cu toate acestea, utilizarea memoriei flash este mai complexă în raport cu alte tipuri de memorie. Datele trebuie să fie citite în blocuri și nu pot fi citite octet cu octet. De asemenea, înainte de a fi rescrise, celulele trebuie să fie șterse. Ștergerea trebuie efectuată bloc cu bloc, nu pe fiecare octet în parte.
În ceea ce o privește, MRAM este o adevărată memorie cu acces aleatoriu, permițând atât citirea, cât și scrierea aleatorie în memorie. MRAM prezintă, de asemenea, zero pierderi atunci când este în standby și combină abilitatea de a suporta 1016 cicluri de scriere cu o capabilitate de păstrare a datelor mai mare de 20 de ani la 85°C. În prezent, MRAM este disponibilă cu o densitate cuprinsă între 4 megabiți (Mbiți) și 16 Mbiți.
Tabelul 1: Memoria MRAM este non-volatilă, ca și flash și EEPROM, și are timpi de citire/scriere compatibili cu SRAM. (Sursa imaginii: Renesas Electronics)
Tehnologia MRAM este similară cu tehnologia flash cu timpi de citire/scriere compatibili cu SRAM [MRAM este uneori denumită SRAM persistentă (P-SRAM)]. Datorită caracteristicilor sale, MRAM este deosebit de potrivită pentru aplicațiile care trebuie să stocheze și să recupereze date cu o latență minimă. Aceasta combină latența redusă cu consumul redus de putere, anduranța infinită, scalabilitatea și non-volatilitatea. Imunitatea inerentă a MRAM la particulele alfa o face, de asemenea, potrivită pentru dispozitivele care sunt expuse în mod regulat la radiații.
Funcționarea memoriei MRAM
După cum sugerează și numele, datele din MRAM sunt stocate prin elemente de stocare magnetică. Elementele sunt formate din două plăci feromagnetice separate printr-un strat izolator subțire, fiecare dintre plăci putând menține o magnetizare. Această structură se numește joncțiune magnetică tunel (MTJ − Magnetic Tunnel Junction). Una dintre cele două plăci este un magnet permanent setat la o anumită polaritate în timpul fabricării; magnetizarea celeilalte plăci poate fi modificată pentru a stoca date. Renesas Electronics a adăugat recent dispozitive MRAM care utilizează o tehnologie proprietară STT-MRAM (Spin Transfer Torque MRAM) care se bazează pe o joncțiune magnetică tunel perpendiculară (p-MTJ). P-MTJ include un strat magnetic fix și imuabil, un strat de barieră dielectrică și un strat feromagnetic de stocare schimbabil (Figura 1).
În timpul unei operațiuni de programare, orientarea magnetică a stratului de stocare este comutată electric dintr-o stare paralelă (stare de rezistență scăzută “0”) într-o stare antiparalelă (stare de rezistență ridicată “1”) sau invers, în funcție de direcția curentului prin elementul p-MTJ. Aceste două stări distincte de rezistență sunt utilizate pentru stocarea și detectarea datelor.
Cazuri de utilizare pentru MRAM
Tabelul 2: Viteza, anduranța și capabilitățile de păstrare a datelor oferite de memoria MRAM permit acesteia să îndeplinească cerințele de memorie ale nodurilor IoT. (Sursa imaginii: Avalanche Technology)
Înregistrarea datelor, memoriile din nodurile IoT, învățarea automată/inteligența artificială în dispozitivele de calcul periferic și etichetele RFID din spitale sunt exemple de cazuri de utilizare a memoriilor MRAM.
Înregistratoarele de date necesită mai mulți megabiți de memorie nevolatilă pentru a permite acumularea de date pe termen lung. De obicei, acestea sunt alimentate de la baterii, dar se pot baza, de asemenea, pe recoltarea de energie pentru alimentare și, prin urmare, necesită o memorie cu consum redus de energie. În cazul unei întreruperi a alimentării, datele înregistrate trebuie să fie păstrate pe termen nelimitat. MRAM satisface cerințele de performanță ale înregistratoarelor de date.
Persistența MRAM, combinată cu un mod de consum extrem de redus de putere, permite o soluție unitară de memorie pentru cod și date în nodurile IoT, care funcționează utilizând surse de recoltare a energiei sau baterii în factori de formă extrem de mici (Tabelul 2). Timpul de inițializare este adesea un aspect important în nodurile IoT. Implementarea unei structuri de tip “code-in-place” utilizând MRAM poate reduce timpul necesar pentru bootare, precum și costul total al listei de materiale, deoarece sunt necesare mai puține componente decât în cazul utilizării memoriilor DRAM sau SRAM.
Persistența oferită de MRAM permite, de asemenea, o nouă generație de noduri IoT capabile de învățare automată, în care algoritmii de inferență nu trebuie reîncărcați de fiecare dată după trezirea dispozitivului. Procesarea locală include analiza datelor senzorilor, luarea de decizii și, în unele cazuri, chiar reconfigurarea nodului. Această inteligență localizată necesită o memorie persistentă și cu consum redus de putere. Astfel de dispozitive pot să implementeze o inferență grosieră locală în timp real și pot utiliza cloud-ul pentru o analiză îmbunătățită.
Viteza MRAM este benefică pentru implementarea învățării automate în dispozitive edge, cum ar fi sistemele de planificare a resurselor întreprinderii (ERP), sistemele de execuție a producției (MES) și sistemele de control și achiziție de date (SCADA). În aceste sisteme, datele sunt analizate, iar modelele intermediare sunt identificate și partajate cu domeniile adiacente. Arhitectura “edge” necesită viteză de procesare și memorie persistentă.
De asemenea, proiectanții pot implementa memorii MRAM în dispozitivele de asistență medicală, unde identificarea prin radiofrecvență (RFID) poate fi benefică. Consumul lor redus de putere, combinat cu imunitatea la radiații, le face potrivite pentru mediile spitalicești. Etichetele RFID în spitale sunt utilizate din diverse motive, inclusiv pentru gestionarea inventarului, îngrijirea și siguranța pacienților, identificarea echipamentelor medicale, precum și pentru identificarea și monitorizarea consumabilelor.
Memorie MRAM serială de înaltă performanță
Figura 2: M30082040054X0IWAY oferă atât scheme de protecție a datelor bazate pe hardware, cât și pe software. Protecția hardware se realizează prin intermediul pinului WP#. Protecția software este controlată de biții de configurare din registrul Status. Ambele scheme inhibă scrierea în regiștrii și în matricea de memorie. (Sursa imaginii: Renesas Electronics)
Proiectanții de sisteme de calcul la limita sistemului, cum ar fi control industrial și automatizări, echipamente medicale, dispozitive purtabile, sisteme de rețea, stocare/RAID, aplicații auto și robotică pot utiliza memoria M30082040054X0IWAY de la Renesas (Figura 2). Aceasta este disponibilă în densități de la 4 Mbiți la 16 Mbiți. Tehnologia MRAM de la Renesas este similară cu tehnologia flash, cu timpi de citire/scriere compatibili cu SRAM. Datele sunt întotdeauna nevolatile, cu o anduranță de 1016 cicluri de scriere și o retenție mai mare de 20 de ani la 85°C.
M30082040054X0IWAY dispune de o interfață periferică serială (SPI), care elimină nevoia de drivere de dispozitiv. SPI este o interfață serială sincronă ce utilizează linii separate pentru date și ceas pentru a ajuta la asigurarea unei sincronizări perfecte între “gazdă” și “slave”. Ceasul “comunică” receptorului exact când este necesar să eșantioneze biții de pe linia de date. Acesta poate fi pe frontul crescător ( de la nivel scăzut la nivel ridicat) sau pe cel descrescător (de la nivel ridicat la nivel scăzut) sau pe ambele fronturi ale semnalului de ceas.
M30082040054X0IWAY suportă funcția XIP (eXecute-In-Place) care permite completarea unei serii de instrucțiuni de citire și scriere fără a fi necesară încărcarea individuală a comenzii de citire sau scriere pentru fiecare instrucțiune. Astfel, modul XIP reduce overhead-ul înainte de executarea unei comenzi precum și timpul de acces aleatoriu la citire și scriere.
M30082040054X0IWAY oferă atât scheme de protecție a datelor bazate pe hardware, cât și pe software. Protecția hardware se realizează prin intermediul pinului WP#. Protecția software este controlată de biții de configurare din registrul ‘Status’. Ambele scheme inhibă scrierea în regiștrii și în matricea de memorie. Are o matrice de stocare augmentată de 256-octeți care este independentă de matricea de memorie principală. Aceasta este programabilă de către utilizator și poate fi protejată la scriere împotriva scrierilor involuntare.
Pentru a răspunde și mai bine aplicațiilor cu consum redus de putere, M30082040054X0IWAY are două stări de consum redus de putere: Deep Power Down și Hibernare. Datele nu se pierd în timp ce dispozitivul se află în oricare dintre aceste două stări de consum redus de putere. Mai mult, dispozitivul își păstrează toate configurațiile.
Dispozitivul este disponibil în capsule DFN (WSON) cu 8 pad-uri și SOIC cu 8-pini. Aceste capsule sunt compatibile cu cele ale produselor volatile și non-volatile similare cu consum redus de putere. Dispune de intervale de temperatură de operare de tip industrial (-40°C până la 85°C) și industrial plus (-40°C până la 105°C).
Utilizând memoria MRAM
MRAM poate reduce semnificativ consumul global de putere în comparație cu alte tehnologii de memorie. Însă valoarea economiilor de energie poate varia în funcție de tiparele de utilizare ale proiectului de aplicație specific. Ca și în cazul altor memorii nevolatile, curentul de scriere este mult mai mare decât cel de citire sau de standby. Prin urmare, timpii de scriere trebuie să fie minimizați în aplicațiile cu consum energetic critic, în special în proiectele care necesită scrieri frecvente în memorie. Timpii de scriere mai scurți ai MRAM pot atenua acest aspect și pot reduce consumul de energie în comparație cu alte opțiuni de memorie nevolatilă, cum ar fi EEPROM sau flash.
Economii suplimentare de energie sunt posibile cu MRAM folosind o arhitectură de sistem de control al consumului de putere și plasând memoria în modul standby cât mai des posibil. Timpul mai scurt de pornire la scriere al memoriei MRAM face posibilă punerea acesteia în standby mai frecvent decât în cazul altor memorii nevolatile. De asemenea, scurgerile zero ale MRAM atunci când se află în standby sunt de ajutor în acest caz. Rețineți că este deseori nevoie de un condensator de decuplare mai mare pentru a susține necesarul de putere de pornire atunci când se utilizează un sistem de control al alimentării.
Figura 3: Kitul de evaluare M3016-EVK se montează deasupra unei plăci gazdă Arduino UNO pentru a sprijini evaluarea rapidă a performanțelor memoriei MRAM. (Sursa imaginii: Renesas Electronics)
Placă de evaluare MRAM
Pentru a ajuta proiectanții să înceapă să utilizeze dispozitivul M30082040054X0IWAY, Renesas oferă kitul de evaluare M3016-EVK. Acesta conține MRAM-ul de 16-Mbiți și permite utilizatorilor să dezvolte soluții hardware interactive folosind populara placă Arduino (figura 3). Kitul ‘plug-n-play’ include o placă gazdă Arduino și un emulator de terminal care comunică cu interfața USB a calculatorului. Placa de evaluare se montează deasupra plăcii gazdă Arduino UNO prin intermediul conectorilor UNO R3. Programele de testare furnizate permit utilizatorilor să evalueze rapid funcționalitatea dispozitivului MRAM.
Concluzie
Proiectarea dispozitivelor de calcul periferic (edge) care utilizează tehnologii de memorie convenționale, cum ar fi DRAM, SRAM, flash și EEPROM, necesită o serie de compromisuri ce pot limita performanța. Pentru aplicații de tip ‘edge computing’, proiectanții se pot orienta către memoriile MRAM recent lansate, care oferă acces aleatoriu real, permițând atât citirea, cât și scrierea aleatorie în memorie.
După cum s-a văzut, MRAM satisface nevoile de memorie ale proiectanților de sisteme de calcul la marginea rețelei, inclusiv: un dispozitiv care trebuie să stocheze și să recupereze date fără a înregistra latențe mari; un consum redus de putere datorită scurgerilor zero atunci când se află în standby; și capacitatea de a suporta 1016 cicluri de scriere cu posibilitatea de păstrare a datelor mai mult de 20 de ani la 85°C.
Lectură recomandată
Intelligent Security Systems using Edge-Computing (Sisteme de securitate inteligente utilizate în aplicații Edge-Computing)
Autor: Rolf Horn – Inginer de aplicații
Rolf Horn, face parte din grupul European de Asistență Tehnică din 2014, având responsabilitatea principală de a răspunde la întrebările venite din partea clienților finali din EMEA referitoare la Dezvoltare și Inginerie, precum și la scrierea și corectarea articolelor și postărilor de pe platformele TechForum și https://www.digikey.com/en/maker ale firmei Digi-Key pentru cititorii din Germania. Înainte de Digi-Key, el a lucrat la mai mulți producători din zona semiconductorilor, cu accent pe sistemele embedded ce conțin FPGA-uri, microcontrolere și procesoare pentru aplicații industriale și auto. Rolf este licențiat în inginerie electrică și electronică la Universitatea de Științe Aplicate din Munchen, Bavaria. Și-a început cariera profesională la un distribuitor local de produse electronice în calitate de Arhitect pentru Soluții de Sistem pentru a-și împărtăși expertiza și cunoștințele în calitate de consilier de încredere.
Hobby-uri: petrecerea timpului cu familia + prietenii, călătoriile (cu rulota familiei VW-California) și motociclismul (pe un BMW GS din 1988).
Digi-Key Electronics | https://www.digikey.ro
