Technologia pamięci nieulotnej musi odpowiadać wymaganiom aplikacji

| Technika

W przypadku konsumenckich pamięci nieulotnych zwycięzców od przegranych odróżnia to, co jest większe, tańsze i szybsze. W przypadku wersji do zastosowań profesjonalnych rozważania projektowe wykraczają poza takie podstawowe kryteria doboru. Z kolei pojazdy autonomiczne, przenośne urządzenia medyczne, sprzęt do automatyzacji fabryk i rozwiązania komputerowe do inteligentnego przetwarzania brzegowego informacji wymagają nawet pamięci zbudowanych specjalnie z myślą o ich unikatowych wymaganiach. Jaką zatem wybrać pamięć do tworzonego urządzenia? W niniejszym artykule przedstawiamy kryteria doboru pamięci do różnych wymagań aplikacyjnych.

Technologia pamięci nieulotnej musi odpowiadać wymaganiom aplikacji

Coraz więcej wymagań

Ponieważ sprzęt, którego używamy na co dzień, jest coraz bardziej zelektronizowany i staje się coraz inteligentniejszy, konsekwencją staje się ciągły wzrost wymagań, dla których wspólnym mianownikiem jest zapewnienie bezpieczeństwa, ochrony i niezawodności działania. Inżynierowie, projektując urządzenia, muszą zatem na początku dokładnie rozważyć, jakie wymagania w tym zakresie mają tworzone aplikacje.

Na przykład, samochody autonomiczne wymagają niezawodnego przechowywania krytycznych danych dla systemów pojazdowych, aby działały one przewidywalnie i chroniły pasażerów oraz pieszych. Wykorzystywane w nich komponenty muszą być zgodne z wytycznymi zapewnienia bezpieczeństwa funkcjonalnego wg ISO 26262 oraz, biorąc pod uwagę surowe środowisko pracy pojazdu, muszą także spełniać normę AEC-Q100.

Z drugiej strony, gdy opieka zdrowotna w coraz większym stopniu przenosi się ze szpitala do domu i staje się osobista, urządzenia medyczne muszą być coraz bardziej energooszczędne i wykorzystywane przez nie pamięci do rejestracji danych powinny zapewnić bezpieczne przechowywanie krytycznych danych użytkownika przy jednoczesnym maksymalizowaniu żywotności baterii. Wiele aplikacji Internetu Rzeczy (IoT) wymaga również ciągłego rejestrowania danych użytkownika i czujników przy jak najmniejszym zużyciu energii.

Inteligentne fabryki, zgodne z koncepcją Przemysłu 4.0, mogą poprawić jakość, wydajność i obniżyć koszty produkcji. Dzięki wielu danym z czujników systemy sterowania pozwalają wdrażać analizę dużych zbiorów danych i uczenie maszynowe w celu zautomatyzowania usprawnień procesu produkcyjnego i oszczędzającej koszty konserwacji predykcyjnej. Te aplikacje wymagają dużej ilości pamięci niezbędnej do ciągłego gromadzenia danych, przy małych opóźnieniach i dużej niezawodności.

Przy wyborze pamięci nieulotnej, która ma być używana w konkretnej aplikacji, kluczowymi kwestiami dla projektantów są obecnie wymagania dotyczące bezpieczeństwa, trwałości i retencji danych, gęstości, wydajności odczytu i zapisu oraz zużycia energii (patrz ramka).

Inteligentne fabryki mogą poprawić jakość, wydajność i koszty produkcji. Dzięki wielu danym z czujników systemy sterowania mogą wdrażać analizę dużych zbiorów danych i uczenie maszynowe w celu zautomatyzowania usprawnień procesu produkcyjnego i oszczędzającej koszty konserwacji predykcyjnej. Te aplikacje potrzebujące dużej ilości pamięci wymagają ciągłego gromadzenia danych, małych opóźnień i wysokiej niezawodności.

W praktyce wybór zawsze jest kompromisem, dlatego ważne jest, aby zrozumieć najważniejsze parametry aplikacji końcowej i ustalić priorytety parametrów. W tym artykule rozważania dotyczą pamięci NAND Flash, NOR Flash i ferroelektrycznej pamięci RAM (F-RAM).

NAND Flash

Pamięci NAND Flash mają duże pojemności jednostkowe (na chip) i zapewniają niski koszt w przeliczeniu na bit, co czyni je idealnym rozwiązaniem, gdy wymagane jest przechowywanie dużych ilości danych (pamięć masowa).

Od dziesięcioleci wersje NAND są najważniejszym produktem dla rynku konsumenckiego i bazą dla produktów takich jak dyski półprzewodnikowe (SSD). W oparciu o układy NAND budowane są też dyski dla centrów danych i serwerów. Jednak rozwój technologii półprzewodnikowej i coraz mniejszy wymiar charakterystyczny procesów ma swoją cenę. Komórki pamięci NAND Flash zbudowane przy użyciu tych zaawansowanych geometrii procesowych podlegają dużym obciążeniom elektrycznym podczas każdego cyklu programowania i kasowania, co skutkuje niższą wytrzymałością na cykliczne odczyty i zapisy danych. Wymaga to wdrożenia technik wyrównujących zużycie poszczególnych komórek, a więc rozkładających cykle zapisu po równo na każdy obszar pamięci oraz obszaru rezerwowego na komórki uszkodzone. Należy zauważyć, że równoważenie zużycia (wear- leveling) zwiększa złożoność systemu i spowalnia proces zapisu danych, gdyż zarządzanie wymaga czasu. Naturalnie równoważenie zużycia komórek wpływa więc negatywnie na niezawodność, potencjalnie zmniejsza rzeczywistą wydajność zapisu danych pamięci, co jest istotne w krytycznych momentach, np. w chwili nieplanowanego zaniku zasilania.

Utrzymanie danych w pamięci NAND Flash jest również stosunkowo krótkie i wynosi około 10 lat w przypadku obecnie dostępnych produktów, a nawet mniej, gdy chipy pracują w rozwiązaniach motoryzacyjnych i przemysłowych, a więc tam, gdzie temperatura jest wysoka. Inne wady obejmują mniejszą prędkość odczytu i dostęp do zawartości przez mapowanie danych lub interfejs pośredni, który nie pozwala na dostęp do dowolnej komórki (adresowanie bezpośrednie). Cechą tych pamięci jest ponadto obecność uszkodzonych sektorów danych i to nawet dla układów nowych. Opuszczający fabrykę chip NAND Flash zwykle ma 98% dobrych komórek, a z czasem procent ten maleje, co wymaga wdrożenia funkcji korekcji błędów ECC (Error Correcting Code).

NOR Flash

W przeciwieństwie do NAND, pamięci NOR Flash zostały zoptymalizowane pod kątem niezawodności oraz elastyczności aplikacyjnej i doskonale nadają się do stosowania w motoryzacji, przemyśle i w wydajnych urządzenia infrastruktury brzegowej systemów komputerowych przetwarzania danych. Jednak ta duża niezawodność i większa wydajność wiążą się z kompromisem, ponieważ gęstości upakowania komórek NOR Flash w strukturze scalonej jest mniejsza niż w wersji NAND. NOR ma znacznie bardziej skomplikowaną, a zatem większą komórkę pamięci, która zapewnia wysoką wytrzymałość i długi czas przechowywania danych, nawet w temperaturach do 125°C. Pamięci te pozwalają także na adresowanie bezpośrednie komórek, dzięki czemu są to idealne propozycje do przechowywania kodu programu, danych transakcyjnych oraz krytycznych procedur kodu firmware. NOR-y zapewniają również bardzo szybki odczyt, co umożliwia ich użycie w systemach wyświetlających animowaną wysokorozdzielczą grafikę.

Dla systemów, w których potrzeba zapewnienia bezpiecznego działania i jak największego bezpieczeństwa jest wymaganiem kluczowym, a więc w zastosowaniach takich jak jazda autonomiczna, Infineon proponuje rodzinę pamięci NOR o nazwie Semper, która ma wbudowane funkcjonalne mechanizmy bezpieczeństwa i ochrony danych. Takie zabezpieczenia są szczególnie ważne, gdy pamięć stanowi osobny chip na PCB, co czyni ją bardziej podatną na ataki. Sprzętowy root-of-trust zapewnia stabilny stan pracy przy włączaniu zasilania, a uwierzytelnione i zaszyfrowane transakcje odczytu i zapisu zapewniają kompleksową ochronę, która umożliwia też bezpieczne aktualizacje oprogramowania z użyciem chmury (rys. 1).

 
Rys. 1. Bezpieczne pamięci NOR Flash z rodziny Semper fi rmy Infi neon pozwalają na stworzenie bezpiecznego środowiska dla aplikacji także wówczas, gdy dane przechowywane są poza strukturą głównego układu SoC

F-RAM

Jeszcze inny typ pamięci nieulotnej – F-RAM, zapewnia wyjątkowo niskie zużycie energii, co jest istotne w sprzęcie zasilanym z baterii i gigantyczną wytrzymałość komórek pamięci szacowaną na 1014 cykli odczyt/zapis. Stan tych komórek jest bardzo efektywnie utrzymywany, dzięki czemu trwałość danych w czasie też jest rekordowo wysoka i wynosi około 10 0 lat. Dostęp do danych można zrealizować za pomocą dowolnego typowego kontrolera pamięci przez interfejs SPI. Układy F-RAM idealnie nadają się do urządzeń, które nieustannie zapisują dane przez długi czas, takich jak przenośne urządzenia medyczne i czujniki w zastosowaniach przemysłowych.

W przeciwieństwie do wersji NAND i NOR, które opierają się na przechowywaniu ładunku elektrycznego w obszarze bramki tranzystora MOSFET, komórka F-RAM zapisuje dane cyfrowe jako stan polaryzacji sieci krystalicznej cienkiej ferroelektrycznej warstwy tytanianu-cyrkonianu ołowiu (PZT). Konstrukcja zapewnia swobodny dostęp do zawartości, oraz brak opóźnień podczas zapisu, które występują w innych typach nieulotnych pamięci bazujących na gromadzeniu ładunku elektrycznego. Dzięki temu F-RAM może natychmiast zapisywać dane w momencie ich przesłania, zapobiegając w ten sposób potencjalnej utracie danych w przypadku awarii lub wyłączeniu zasilania w czasie, gdy realizowany jest długo trwający zapis. Wadą tego typu chipów są relatywnie małe dostępne pojemności, które wykluczają pracę jako pamięć masowa.

Jak pokazano w tabeli, każdy typ pamięci nieulotnej zapewnia inne właściwości i nie ma jednego uniwersalnego rozwiązania. Warto zauważyć, że sytuacja na rynku szybko się zmienia. Ponieważ technologia półprzewodnikowa w zakresie możliwości skalowania doszła już do ściany wyznaczanej przez granice fizyczne, w przypadku wielu obszarów zastosowań trwałość danych i możliwość wielokrotnego zapisu zawartości komórek pamięci nie jest już wystarczająca. Stąd coraz częściej pamięć wydziela się w aplikacji do osobnego chipa, po to, aby móc użyć pamięci wykonanej w innej technologii niż ta, w jakiej wykonany jest główny mikrokontroler. Stwarza to potrzebę nowej klasy układów pamięci zewnętrznych typu NOR Flash o wysokiej wydajności i rozbudowanych funkcjach bezpieczeństwa.

Zagadnienia do rozważenia w zakresie doboru pamięci nieulotnej

Przy wyborze pamięci nieulotnej, która ma być używana w konkretnej aplikacji, kluczowymi kwestiami dla projektantów są wymagania dotyczące bezpieczeństwa, trwałość i retencja danych, gęstość, wydajność odczytu i zapisu oraz zużycie energii.

  • Wymagania w zakresie odporności na błędy: przechowywanie danych w wymagających zastosowaniach takich jak np. pojazdy autonomiczne musi być zrealizowane zgodnie z surowymi wymaganiami norm w zakresie bezpieczeństwa funkcjonalnego i zapewnienia integralności danych.
  • Wytrzymałość i retencja danych: pamięci nieulotne mają określoną trwałość liczoną w cyklach zapisu i odczytu, która musi być wzięta pod uwagę w aplikacjach, gdzie zachodzi ciągła rejestracja danych.
  • Gęstość upakowania komórek pamięci w chipie: duża gęstość oznacza, że wymagania w zakresie przechowywania zbiorów danych łatwiej jest spełnić.
  • Wydajność zapisu i odczytu: im większa szybkość zapisu i odczytu danych tym prawdopodobieństwo utraty danych lub uszkodzenia zbioru podczas stanu nieustalonego, zakłócenia lub zaniku zasilania jest mniejsze.
  • Zużycie energii: niski pobór mocy oznacza długo czas działania bez wymiany lub ładowania baterii, jest to kluczowy czynnik w aplikacjach IoT lub sprzęcie mobilnym.

Podsumowanie

Pamięć NAND Flash jest idealnym wyborem do pracy w roli pamięci masowej, które jest zwykle spotykana w urządzeniach elektronicznych i serwerach hiperskalowych. Z kolei NOR Flash i F-RAM są odpowiednie do systemów embedded i urządzeń brzegowych, które często instalowane są w środowiskach działających w ekstremalnych warunkach i odległych lokalizacjach. Im więcej w naszym otoczeniu znajduje się elektroniki, im bardziej odpowiedzialne zadania ona pełni i odpowiada za niezawodność, bezpieczeństwo i pewne działanie, tym wybór właściwej pamięci staje się coraz ważniejszy.

 

Linus Wong, Infineon Technologies


Infineon
www.infineon.com

Dostępne nowe wydanie
Pobierz bezpłatnie