Un avantaj al eMMC-urilor (embedded MultiMediaCards) este acela că sunt standardizate de Asociația Internațională de Standardizare a Industriei Semiconductorilor – JEDEC. Dispunerea pinilor, desemnarea și utilizarea regiștrilor, alimentarea cu energie și funcțiile controlerului sunt astfel definite, iar memoriile gestionate sunt compatibile cu versiunile anterioare. Fiecare actualizare a standardului primește un nou număr, indicând faptul că această generație de eMMC-uri suportă caracteristicile celei precedente plus caracteristici noi și îmbunătățite.
Începând cu JEDEC 5.0 și versiunile ulterioare, firmware-ul eMMC furnizează un raport de sănătate care ajută la procesul de proiectare și la întreținerea pe teren. Similar cu binecunoscuta funcționalitate S.M.A.R.T. de la SSD-uri și HDD-uri, acesta oferă informații de bază privind starea actuală a celulelor flash din eMMC. Aceasta oferă gazdei informații despre ciclurile de scriere/ștergere rămase și despre starea generală a memoriei flash eMMC pe baza blocurilor de rezervă rămase.
Ca atare, sunt disponibile informații în timp real despre starea memoriei după ce aceasta a fost deja utilizată pentru o anumită perioadă de timp în anumite condiții. Aceste informații pot servi drept bază de simulare în laborator a utilizării preconizate pe teren timp de mai mulți ani și de învățare a modului în care acest lucru afectează longevitatea datelor.
Datorită nivelului de standardizare, un design creat pentru o versiune eMMC mai veche poate fi utilizat și pentru cea mai recentă generație. Noile caracteristici sau opțiuni de interfață ale generației mai tinere nu sunt disponibile în acest caz, dar toate caracteristicile celei mai vechi sunt implementate și în noua generație − ideal pentru aplicațiile cu cicluri de dezvoltare lungi.
Figura 1: Partiționarea eMMC ilustrată aici folosind exemplul unui produs IoT.
Cu toate acestea, un potențial obstacol poate fi reprezentat de driverul interfeței MMC de pe gazdă. Inițial, acesta poate solicita versiunea JEDEC a eMMC-ului și poate abandona dacă nu recunoaște numărul introdus. Acest obstacol poate fi evitat prin actualizarea driverului.
Având în vedere că atribuirea pinilor este, de asemenea, standardizată, dezvoltatorii sunt liberi să aleagă între diferitele versiuni de capsule și densități de memorie. Un BGA de 11,5 mm × 13 mm este dimensiunea tipică a capsulei pentru un eMMC la o temperatură standard. Kioxia oferă, de asemenea, o capsulă BGA mai mică, de 11 mm × 10 mm, pentru o memorie eMMC de 4 GB.
Temperatura influențează retenția datelor
Prima întrebare la care trebuie să se răspundă atunci când se ia în considerare proiectarea este: ce densitate de memorie este necesară pentru datele din aplicația clientului? eMMC-urile sunt disponibile în capacități de 4 și 128 GB.
De asemenea, este esențial să se ia în considerare temperatura ambientală în care va fi utilizată memoria eMMC. Gama standard de temperaturi de operare este cuprinsă între -25 și +85°C. Pentru aplicațiile în care acest interval nu este suficient, de exemplu, pentru modulele CoM (Computer-on-Module) care pot fi utilizate în condiții de mediu foarte variate sau pentru invertoarele de putere pentru sistemele solare, Kioxia oferă eMMC-uri cu un interval de temperatură extins de la -40 la +105°C, cu capacități de la 8 la 64 GB.
Cu toate acestea, intervalul de temperatură indică doar temperatura de operare pentru eMMC, nu și durata de păstrare a datelor. În cazul în care memoria eMMC este operată frecvent, pe o perioadă lungă de timp, la temperaturi cu mult peste 40°C, utilizatorii sunt sfătuiți să discute cu furnizorul despre aplicația individuală. Acest lucru exclude posibilitatea de a experimenta perioade mai scurte de păstrare a datelor.
O altă modalitate de a face ca datele să fie mai rezistente la temperaturi mai ridicate este utilizarea zonei de date de utilizator îmbunătățite, cunoscută și sub numele de modul “pseudo SLC”. Zona de date pentru utilizator îmbunătățită este disponibilă începând cu standardul eMMC 4.4 și ulterior, ceea ce face ca zona de stocare în cauză să fie mai fiabilă și mai puternică. Totuși, trebuie remarcat că acest lucru reduce densitatea totală disponibilă.
Zona de date pentru utilizator îmbunătățită crește fiabilitatea, performanța și rezistența unui memorii eMMC prin utilizarea unui singur bit în loc de doi pe celulă.
Creșterea ratei de transmisie a datelor
În cazul în care aplicația necesită o anumită rată de transmisie a datelor, trebuie luate în considerare mai multe aspecte. Este important de știut că există o corelație între densitatea memoriei și performanța de citire/scriere a unui memorii eMMC. Dacă aplicația necesită o rată de transmisie a datelor mai mare decât cea oferită de o memorie eMMC standard, sunt disponibile următoarele opțiuni:
- Dacă se dorește îmbunătățirea în principal a vitezei de citire, trecerea de la interfața HS200 la HS400 este o idee bună. Cu toate acestea, HS400 este disponibilă numai de la JEDEC 5.0 și mai sus și necesită un pin suplimentar pentru interfață.
- În cazul în care trebuie îmbunătățită în principal viteza de scriere, trecerea la zona de date pentru utilizator îmbunătățită este o abordare eficientă. Rețineți, totuși, că acest lucru reduce nivelul disponibil de densitate.
Determinarea și extinderea retenției datelor
Retenția datelor este influențată în principiu de doi factori: numărul de cicluri de scriere/ștergere în timpul duratei de viață și temperatura de operare. O memorie flash NAND bazată pe MLC într-un eMMC oferă aproximativ 3.000 de cicluri de scriere/ștergere la 40°C. Dacă acest lucru este suficient pentru durata de viață preconizată a unui produs în care este utilizată memoria eMMC, totuși, contează foarte mult scenariul de utilizare. La calcularea duratei de viață preconizate a memoriei, trebuie să se țină cont și de WAF (Write Amplification Factor − factorul de amplificare a scrierii). Figura 2 ilustrează formula corespunzătoare.
Figura 3: pSLC (zona de date pentru utilizator îmbunătățită) utilizează doar unul în loc de doi biți (MLC) sau trei biți (TLC) pe celulă flash. Acest lucru crește retenția datelor, longevitatea și performanța memoriei − dar are un impact negativ asupra capacității.
Rezultatul nu reprezintă o valoare sigură, ci doar o aproximare, deoarece rata reală de păstrare a datelor depinde, în plus, de utilizarea specifică a dispozitivului individual. În cazul în care, pe baza acestui calcul, se poate presupune că durata de viață a memoriei eMMC în scenariul de utilizare anticipat nu corespunde duratei de viață preconizate a produsului, există două modalități de a o prelungi:
- Utilizând zona de date îmbunătățită a utilizatorului. Acest lucru mărește numărul de cicluri de scriere/ștergere disponibile de zece ori față de modul normal (la 40°C). Aici, însă, intră în vigoare și următorul principiu: Densitatea disponibilă este redusă.
- Selectarea unei memorii eMMC cu densitate ridicată. Cu cât este mai mare densitatea disponibilă, cu atât este mai mare suprafața controlerului de memorie pentru uniformizarea uzurii. Acest lucru înseamnă mai puțin stres din partea ciclurilor de scriere/ștergere pentru celulele individuale.
Modulele eMMC în mediul de producție
Figura 4: Echipate cu o funcție firmware specială, eMMC-urile de la Kioxia supraviețuiesc procesului de lipire fără a deteriora datele.
Odată ce designul a fost finalizat, trebuie luat în considerare încă un aspect în procesul de producție, dacă datele trebuie încărcate în memorie înainte de procesul de reflow sau de lipire. La o temperatură de aproximativ 260°C, procesul de lipire expune celula NAND la un stres extrem. Acest lucru ar putea avea un impact negativ asupra păstrării datelor sau chiar duce la pierderea acestora. Pentru a evita acest scenariu neplăcut, Kioxia a dezvoltat o funcție specială de firmware. Există doar restricții în ceea ce privește dimensiunea maximă a datelor care pot fi procesate cu ajutorul acestei funcții.
Dacă se ține cont de aceste considerente în timpul procesului de proiectare, inginerii proiectanți au la dispoziție o soluție de memorie durabilă, de înaltă performanță și fiabilă bazată pe eMMC.
Autori:
Chen Grace Wang, Corporate Product Manager Digital la Rutronik și
Martin Juttner, Senior Manager Product Marketing for Embedded Flash Memory la Kioxia Europe
Rutronik | https://www.rutronik.com
