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.