Pamięci FRAM w systemach komunikacji bezprzewodowej

Rys. 1. Zapotrzebowanie na energię pamięci FRAM jest 250× mniejsze niż urządzeń z pamięcią Flash, przy założeniu równych szybkości (12 kB/s)

Zagadnienia wiążące się z niskim poborem mocy są w największym stopniu widoczne i ważne w sektorze komunikacji bezprzewodowej. Wiele urządzeń służących do tego celu zasilanych jest z baterii, co w naturalny sposób ogranicza wiele ich parametrów związanych z zasięgiem, czasem pracy, wymiarami i innymi podobnymi czynnikami.

Jedną z technologii, która może w najbliższej przyszłości przynieść w tym obszarze zmiany jakościowe, jest tzw. uniwersalna pamięć. Terminem tym określa się układy pamięciowe, które mogą równie efektywnie być używane do przechowywania kodu programu oraz danych. Aktualnie podstawowym nośnikiem dla pamięci programu jest Flash, głównie z uwagi na właściwości nieulotne.

Pamięci SRAM i DRAM wykorzystywane są zwykle do przechowywania danych podczas działania programu, ponieważ są znacznie szybsze w działaniu i pobierają mniejszą moc. Zatem pamięć uniwersalna powinna w jednym typie technologicznym łączyć najlepsze cechy obu tych rozwiązań.

Jednym z faworytów w tym wyścigu technologicznym jest pamięć FRAM (Ferroelektryczna pamięć RAM), rozwijana i integrowana przez firmę Texas Instruments w mikrokontrolerach o niskim poborze mocy.

Człon RAM w nazwie sugeruje, że jest to pamięć o swobodnym dostępnie do danych, pozwalająca zaadresować dowolny bit zarówno do odczytu, jak i zapisu i niewymagająca specjalnych zabiegów podczas zapisu, tak jak pamięci EEPROM, np. dodatkowego wyższego napięcia zasilania, specjalnego protokołu itp.

Innymi słowy pamięć FRAM ma takie parametry jak SRAM, ale dane nie giną po wyłączeniu zasilania. Jest to efekt wykorzystania materiału ferroelektrycznego, specjalnej ceramiki charakteryzującej się efektem ferroelektrycznym, co nie oznacza oczywiście, że pamięć ta jest podatna na zewnętrzne pole magnetyczne.

Na koniec trzeba przypomnieć, że FRAM nie ma ograniczonej liczby zapisów, które są gwarantowane, bo zapis odbywa się poprzez ustawienie jednego z dwóch stanów stabilnych kryształu ferromagnetycznego zamiast z natury destrukcyjnej propagacji elektronów przez dielektryk. Pamięć FRAM wymaga do pracy mniejszej mocy niż Flash.

Te układy programuje się przy 12V, co wymaga wbudowania pompy ładunku podwyższającej napięcie, FRAM zaś przy 1,5 V. Podczas programowania pamięci Flash układ jest wyłączony z działania i podporządkowany tylko tej operacji, co więcej, zapis odbywa się w blokach. W przypadku FRAM można zapisywać pojedyncze bity i to bez blokowania normalnego działania układu.

Efektem jest około 250 razy mniejszy pobór mocy w przeliczeniu na pojedynczy bit pomiędzy FRAM a EEPROM. Oprócz niskiego poboru mocy pamięć FRAM charakteryzuje się dużą szybkością przesyłania danych. MSP430 z wbudowaną pamięcią FRAM jest w stanie osiągnąć czas dostępu rzędu 50 ns, zapewniając szybkości transmisji do 1400 kB/s.

Aplikacje bezprzewodowe

Specjaliści oceniają, że w użyciu jest pół miliarda urządzeń komunikacji bezprzewodowej, a strumień transmitowanych przez nie danych rośnie w tempie 26% rocznie. Prognozy mówią też o tym, że liczba sprzętu z wbudowaną komunikacją bezprzewodową będzie się co roku podwajać przez najbliższe 5 lat.

Tak imponujący wzrost musi być stymulowany wieloma czynnikami związanymi z rozwojem technologii, m.in. postępującą integracją komponentów. To dlatego, że podstawowy układ komunikacyjny zawierający mikrokontroler, pamięć i transceiver ma kosztować mniej niż 1 dolara i pułap ten osiągniemy w ciągu najbliższych pięciu lat.

Bariery do osiągnięcia tego ambitnego celu kryją się w niepełnej jeszcze integracji rozwiązań komunikacji bezprzewodowej, który powinien obejmować całość sprzętową układu transmisji i antenę. Drugą barierą jest ograniczona pojemność baterii zasilających, determinujących czas działania i parametry toru radiowego. Konieczność wymiany baterii zwiększa też koszt eksploatacji systemu.

Elastyczność i bezpieczeństwo

Oparcie części sprzętowej systemu bezprzewodowego na pamięci FRAM przede wszystkim jest w stanie znacząco obniżyć pobór mocy w porównaniu do układów realizowanych z wykorzystaniem Flash i EEPROM. Możliwość połączenia w jednym układzie danych kodu programu też jest tu dodatkowym wsparciem dla oszczędności.

Wiele urządzeń zapewnia dzisiaj możliwość uaktualnienia firmware'u poprzez łącze radiowe. Gdy zapis takich danych ma odbywać się w pamięci Flash, zwykle muszą być w urządzeniu dwa takie układy po to, aby procesor mógł nadzorować cały proces, co jest niepotrzebnym nadmiarem.

Inaczej ryzyko utraty stabilności i kontroli systemu staje się zbyt duże, gdyż nawet drobne zakłócenie działania procedury zapisu nowych danych może zakończyć aktualizację niepowodzeniem i niemożliwością ponownego uruchomienia systemu. Dodatkowo zapis kilkunastu kilobajtów trwający kilkadziesiąt milisekund zużywa tyle energii, ile mniej więcej jest potrzebne do działania bezprzewodowego czujnika przez miesiąc.

Zatem aktualizacja oprogramowania jest niezwykle kosztowna energetycznie w przypadku korzystania z pamięci Flash. Oczywiście zastąpienie kilku układów pamięciowych jednym, plus ewentualna integracja z mikrokontrolerem, są w stanie przyczynić się do znacznej obniżki kosztów realizacji. Użycie FRAM może też rozwiązać problemy z coraz większą wymianą danych.

Skoro transmitowanych jest coraz więcej danych, to technologie, które umożliwiają ograniczenie poboru mocy, są w stanie utrzymać w ryzach konstrukcję układową urządzenia komunikacyjnego lub zapobiec obniżeniu czasu pracy lub konieczności powiększenia pojemności baterii i tym samym rozmiaru.

Pamięć FRAM zintegrowana z mikrokontrolerem i transceiverem komunikacyjnym ma też szansę stać się uniwersalną platformą, za pomocą której będzie można realizować różne urządzenia o dość dużym spektrum aplikacyjnym. Taka platforma, której parametry pozwalają zastosować ją do różnych celów, może być wytwarzana w dużej skali i tym samym taniej w porównaniu do innych rozwiązań.

Bezpieczeństwo i niezawodność

W przypadku systemów embedded, aplikacji smart grid i innych systemów, w których duże znaczenie ma bezpieczeństwo i pewność działania oraz odporność na ataki, pamięć FRAM wydaje się lepszym rozwiązaniem od rozwiązań tradycyjnych.

Ma ona wbudowane funkcje bezpiecznego zapisu danych, jest odporna na wiele technik włamań za pomocą otwierania obudowy układu i fizycznego odczytu komórka po komórce. System bezprzewodowy bazujący na FRAM nie wymaga często wymiany baterii przez cały czas eksploatacji, stąd można układ zalać żywicą epoksydową, dodatkowo utrudniając reverse-engineering.

Jacob Borgeson
Texas Instruments
Farnell element 14
www.farnell.com/pl