Cum se utilizează MRAM pentru îmbunătățirea fiabilității, reducerea perioadelor de latență și a puterii pentru soluțiile Edge Computing

Soluțiile Edge Computing sunt din ce în ce mai utilizate în aplicații precum Industrial Internet of Things (IIoT), robotică, dispozitive medicale, articole portabile, inteligență artificială, automobile și modele portabile. Împreună cu această creștere a utilizării vine și necesitatea unei memorii de mare viteză, cu latență redusă, nevolatilă, cu consum redus de energie și cu costuri reduse, care să poată fi utilizată, de exemplu, pentru stocarea programelor și copierea de rezervă a datelor. Chiar dacă există multe opțiuni disponibile, inclusiv memoria statică cu acces aleatoriu (SRAM), RAM dinamică (DRAM), memoria flash și memoria programabilă numai pentru citire, care poate fi ștearsă electronic (EEPROM), fiecare dintre aceste tehnologii utilizate pe scară largă presupun compromisuri în unul sau mai multe segmente, ceea ce le face mai puțin decât ideale pentru soluțiile Edge Computing.

În schimb, designerii se pot orienta către memoriile magnetorezistive cu acces aleatoriu (MRAM). Dispozitivele MRAM, după cum sugerează și numele, stochează datele în elemente de stocare magnetică și oferă un acces aleatoriu real, permițând apariția aleatorie în memorie atât a citirilor, cât și a scrierilor. Structura și funcționarea acestora sunt concepute astfel încât să prezinte o latență scăzută, pierderi scăzute, un număr mare de cicluri de scriere și o reținere ridicată, toate acestea fiind extrem de oportune pentru soluțiile Edge Computing.

Acest articol compară pe scurt capacitățile de performanță ale tehnologiilor de memorii comune, inclusiv EEPROM, SRAM și flash cu MRAM. Apoi, va revizui beneficiile utilizării MRAM în mai multe aplicații care implică soluțiile Edge Computing și apoi va prezenta dispozitivele MRAM specifice de la Renesas Electronics, câteva sfaturi de utilizare a MRAM și o platformă de evaluare pentru a ajuta designerii să își înceapă lucrările de proiectare.

Compararea tehnologiilor de memorii

Proiectanții aplicațiilor care implică soluțiile Edge Computing au la dispoziție mai multe tehnologii de memorii, fiecare dintre acestea oferind capacități și performanțe variabile (Figura 1). DRAM oferă, cel mai adesea, memoria de lucru pentru diferite tipuri de procesoare în timpul executării software-ului. Este ieftină, relativ lentă (în comparație cu SRAM), consumă cantități semnificative de energie și păstrează datele doar pe parcursul alimentării active cu energie electrică. În plus, celulele de memorie DRAM sunt supuse coruperii provocate de radiații.

SRAM este mai rapidă și mai scumpă decât DRAM. Adesea, este utilizată ca memorie cache pentru procesoare, în timp ce DRAM asigură memoria principală. Este cea mai neeconomică din punct de vedere al consumului de energie electrică dintre memoriile descrise aici și, la fel ca DRAM, este o memorie volatilă. Celulele SRAM sunt supuse coruperii provocate de radiații și atât DRAM, cât și SRAM asigură o rezistență ridicată.

EEPROM este o memorie nevolatilă care utilizează o tensiune aplicată extern pentru ștergerea datelor. Memoriile EEPROM sunt lente, au o rezistență limitată – de obicei până la un milion de cicluri – și sunt relativ neeconomice din punct de vedere al consumului de energie electrică. EEPROM este în prezent cel mai puțin utilizată dintre tehnologiile de memorii descrise aici.

Memoria flash este o variantă a EEPROM, cu o capacitate de stocare substanțial mai mare și cu viteze de citire/scriere mai mari, dar este, în continuare, relativ lentă. Memoria flash este ieftină, iar datele supraviețuiesc în condiții de oprire a alimentării cu energie electrică timp de până la 10 ani. Cu toate acestea, memoria flash are o utilizare mai complexă în raport cu alte tipuri de memorie. Datele trebuie citite în blocuri și nu pot fi citite octet cu octet. De asemenea, înainte de a fi rescrise, celulele trebuie șterse. Ștergerea trebuie efectuată bloc cu bloc, nu pentru fiecare octet individual.

MRAM, la rândul său, este o memorie cu acces aleatoriu real, permițând apariția aleatorie în memorie atât a citirilor, cât și a scrierilor. MRAM are, de asemenea, o pierdere zero în modul standby și combină capacitatea de a suporta 10¹⁶ cicluri de scriere cu o capacitate de păstrare a datelor mai mare de 20 de ani la 85°C. În prezent, aceasta este oferită cu o densitate cuprinsă între 4 megabiți (Mbiți) și 16 Mbiți.

Tehnologia MRAM este similară tehnologiei flash cu timpi ale operațiilor de citire/scriere compatibili cu SRAM (MRAM este uneori denumită SRAM persistentă (P-SRAM)). Datorită caracteristicilor sale, MRAM este adecvată în special pentru aplicațiile care trebuie să stocheze și să recupereze date cu o latență minimă. Combină această latență redusă cu consumul redus de energie, rezistența infinită, scalabilitatea și caracterul nevolatil. De asemenea, imunitatea inerentă a MRAM la particulele alfa o face adecvată pentru dispozitivele expuse în mod regulat la radiații.

Figura 1: MRAM este nevolatilă, ca și memoriile flash și EEPROM, și are timpi ale operațiilor de citire/scriere compatibili cu SRAM. (Sursă imagine: Renesas Electronics)

Cum funcționează MRAM

După cum sugerează și numele, datele din MRAM sunt stocate prin elemente de stocare magnetică. Elementele sunt formate din două plăci feromagnetice, fiecare dintre acestea putând susține o magnetizare, separate printr-un strat izolator subțire. Această structură se numește joncțiunea tunelului magnetic (MTJ). Una dintre cele două plăci este un magnet permanent, reglat la o polaritate specifică în timpul fabricației; magnetizarea celeilalte plăci poate fi modificată pentru stocarea datelor. De curând, Renesas Electronics a adăugat dispozitive MRAM care utilizează un cuplu de transfer de rotație brevetat MRAM (STT-MRAM) care se bazează pe o joncțiune perpendiculară a tunelului magnetic (p-MTJ). P-MTJ include un strat magnetic fix și neschimbabil, un strat de barieră dielectrică și un strat de stocare feromagnetic schimbabil (Figura 2).

Figura 2: Celula de bază a STT-MRAM constă dintr-un MTJ și un tranzistor de acces. (Sursă imagine: Avalanche Technology)

În timpul unei operații de programare, orientarea magnetică a stratului de stocare este comutată electric de la o stare paralelă (stare de rezistență scăzută „0”) la o stare antiparalelă (stare de rezistență ridicată „1”), sau invers, în funcție de direcția curentului prin elementul p-MTJ. Aceste două stări de rezistență distincte sunt utilizate pentru stocarea și detectarea datelor.

Cazuri de utilizare a MRAM

Înregistrarea datelor, memoriile în noduri IoT, învățarea automată/inteligența artificială a dispozitivelor care utilizează soluțiile Edge Computing și etichetele RFID din spitale sunt exemple de cazuri de utilizare a MRAM.

Înregistratoarele de date necesită mai mulți megabiți de memorie nevolatilă pentru a găzdui acumularea de date pe termen lung. De obicei, acestea sunt alimentate de la baterii, dar se pot baza și pe captarea și conversia energiei pentru alimentarea cu energie și, prin urmare, necesită memorie cu consum redus de energie. În cazul pierderii de energie, datele înregistrate trebuie păstrate pe termen nelimitat. MRAM îndeplinește cerințele de performanță ale înregistratoarelor de date.

Persistența MRAM, combinată cu un mod de energie cu consum extrem de scăzut, permite o soluție de memorie unificată pentru cod și date în nodurile IoT care operează alimentându-se de la dispozitive pentru captarea energiei sau surse de alimentare de la baterii în factori de formă extrem de mici (Figura 3). Adesea, timpul de pornire este un aspect important în nodurile IoT. Implementarea unei structuri de cod local utilizând MRAM poate reduce timpul necesar pentru pornire, precum și costul total al materialelor, deoarece DRAM sau SRAM nu sunt atât de necesare.

Figura 3: Capacitățile de viteză, rezistență și păstrare a datelor ale MRAM o ajută să îndeplinească cerințele de memorie ale nodurilor IoT. (Sursă imagine: Avalanche Technology)

De asemenea, persistența oferită de MRAM permite o nouă generație de noduri IoT capabile de învățare automată, în cazul cărora algoritmii de inferență nu trebuie să fie reîncărcați după fiecare reactivare a dispozitivului. Procesarea locală include analiza datelor senzorilor, luarea deciziilor și, în unele cazuri, chiar reconfigurarea nodului. Această inteligență localizată necesită o memorie persistentă și cu consum redus de energie. Aceste dispozitive pot implementa inferențele locale grosiere în timp real și pot utiliza cloud-ul pentru o analiză îmbunătățită.

Viteza MRAM este benefică pentru implementarea învățării automate pe dispozitive Edge, cum ar fi sisteme de planificare a resurselor întreprinderii (ERP), sisteme de execuție a fabricației (MES) și sisteme de control pentru supraveghere și achiziție de date (SCADA). În aceste sisteme, datele sunt analizate și modelele intermediare identificate și partajate cu domeniile adiacente. Arhitectura Edge necesită viteză de procesare și memorie persistentă.

Proiectanții pot aplica MRAM și în dispozitivele medicale în care ar putea fi benefică identificarea prin radiofrecvență (RFID). Consumul său redus de energie, combinat cu imunitatea la radiații, o fac alegerea potrivită pentru mediile spitalicești. Etichetele RFID din spitale sunt utilizate pentru o varietate de motive, inclusiv managementul inventarului, îngrijirea și siguranța pacienților, identificarea echipamentelor medicale și identificarea și monitorizarea consumabilelor.

Memorie MRAM serială de înaltă performanță

Proiectanții sistemelor informatice care implică soluțiile Edge Computing, inclusiv ai sistemelor de control industrial și automatizare, ai dispozitivelor medicale, dispozitivelor portabile, sistemelor de rețea, stocării/RAID, automobilelor și roboticii pot utiliza M30082040054X0IWAY de la Renesas (Figura 4). Este disponibilă în densități cuprinse între 4 Mbiți și 16 Mbiți. Tehnologia MRAM de la Renesas este similară tehnologiei memoriei flash cu timpi ale operațiilor de citire/scriere compatibili cu SRAM. Datele sunt întotdeauna nevolatile, cu rezistență la 10¹⁶ cicluri de scriere cu o capacitate de păstrare a datelor mai mare de 20 de ani la 85°C.

M30082040054X0IWAY are o interfață serială periferică (SPI), eliminând necesitatea driverelor de dispozitive software. SPI este o interfață serială sincronă care utilizează linii separate pentru date și ceas, pentru a ajuta la menținerea unei sincronizări perfecte între gazdă și slave. Ceasul îi spune receptorului exact când trebuie să recolteze biții de pe linia de date. Aceasta poate fi fie în creștere (de jos în sus), fie în scădere (de mare în jos) sau pe ambele margini ale semnalului ceasului.

Figura 4: M30082040054X0IWAY oferă scheme de protecție atât a datelor hardware, cât și a datelor software. Protecția hardware se realizează prin pinul WP#. Protecția software este controlată de biții de configurare din registrul de stare. Ambele scheme inhibă scrierea în registre și matrice de memorie. (Sursă imagine: Renesas)

M30082040054X0IWAY acceptă eXecute-In-Place (XIP), care permite completarea unei serii instrucțiuni de citire și scriere fără a fi nevoie de încărcarea, în mod individual, a comenzii de citire sau de scriere pentru fiecare instrucțiune. Astfel, modul XIP economisește timpul consumat de un sistem de calcul pentru operaţiile neproductive legate de comandă și reduce timpul de acces aleatoriu la citire și scriere.

M30082040054X0IWAY oferă scheme de protecție atât a datelor hardware, cât și a datelor software. Protecția hardware se realizează prin pinul WP#. Protecția software este controlată de biții de configurare din registrul de stare. Ambele scheme inhibă scrierea în registre și matrice de memorie. Are o matrice de stocare augmentată de 256 de biți, care este independentă de matricea de memorie principală. Este programabilă de către utilizator și poate fi protejată la scriere împotriva scrierilor accidentale.

Pentru a răspunde în continuare nevoilor aplicațiilor cu consum redus de energie, M30082040054X0IWAY are două stări cu consum redus de energie: Deep Power Down și Hibernate. Datele nu se pierd atâta timp cât dispozitivul se află în oricare dintre aceste două stări cu consum redus de energie. Mai mult, dispozitivul își menține toate configurațiile.

Dispozitivul este disponibil în pachete DFN (WSON) cu 8 pad-uri și SOIC cu 8 pini cu amprentă mică. Aceste pachete sunt compatibile cu produsele cu consum redus de energie volatile și nevolatile similare. Este oferit cu intervale de temperatură de funcționare industriale (între -40°C și 85°C) și industriale tip plus (între -40°C și 105°C).

Utilizarea MRAM

MRAM poate reduce semnificativ consumul total de energie comparativ cu alte tehnologii de memorii. Însă economia reală a energiei poate varia în funcție de tiparele de utilizare ale designului aplicației specifice. La fel ca în cazul altor memorii nevolatile, curentul de scriere este mult mai mare decât curentul de citire sau din standby. Ca urmare, timpii de scriere trebuie să fie minimizați în aplicațiile critice din punct de vedere energetic, în special în proiectele care necesită scrieri frecvente în memorie. Timpii scurți de scriere ai MRAM pot atenua acest aspect și pot reduce consumul de energie în comparație cu alte opțiuni de memorii nevolatile, cum ar fi EEPROM sau flash.

Economii suplimentare ale energiei sunt posibile cu MRAM utilizând o arhitectură a sistemului de selectare a semnalului electric și plasând memoria în modul standby cât mai des posibil. Pornirea mai rapidă a MRAM la timpul de scriere face posibilă intrarea mai frecventă a MRAM în standby decât a altor memorii nevolatile. De asemenea, pierderile zero ale MRAM atunci când este în standby sunt un ajutor în acest caz. Rețineți că, adesea, este necesar un condensator de decuplare mai mare pentru a susține necesitățile de alimentare cu energie electrică atunci când se utilizează metoda de selectare a semnalului electric.

Consiliul de evaluare MRAM

Pentru a ajuta designerii să înceapă să lucreze cu M30082040054X0IWAY, Renesas oferă kitul de evaluare M3016-EVK. Acesta conține MRAM de 16 Mbiți și permite utilizatorilor să dezvolte soluții hardware interactive utilizând placa populară Arduino (Figura 5). Kitul plug-n-play prezintă o placă gazdă Arduino și un software pentru emulare de terminale care comunică cu interfața USB a computerului. Placa de evaluare se montează pe partea superioară a plăcii gazdă Arduino UNO prin barete tip tată UNO R3. Programele de testare oferite permit utilizatorilor să evalueze rapid funcționalitatea dispozitivului MRAM.

Figura 5: Setul de evaluare M3016-EVK se montează pe partea superioară a unei plăci gazdă Arduino UNO, pentru a sprijini evaluarea rapidă a performanței MRAM. (Sursă imagine: Renesas)

Concluzie

Proiectarea dispozitivelor care utilizează soluțiile Edge Computing utilizând tehnologii de memorii convenționale precum DRAM, SRAM, flash și EEPROM impune o varietate de compromisuri care pot limita performanța. Pentru soluțiile Edge Computing, proiectanții pot analiza memoriile MRAM recent introduse pe piață, care oferă acces aleatoriu real, permițând apariția aleatorie în memorie atât a citirilor, cât și a scrierilor.

După cum s-a arătat, MRAM acceptă necesitățile legate de memorie ale proiectanților sistemelor informatice care implică soluțiile Edge Computing, inclusiv: un dispozitiv care trebuie să stocheze și să recupereze datele fără a înregistra latențe mari; consum redus de energie datorită pierderii zero în modul standby; și capacitatea de a suporta 10¹⁶ cicluri de scriere cu o capacitate de păstrare a datelor mai mare de 20 de ani la 85°C.

Lectură recomandată

1. Sisteme inteligente de securitate care utilizează soluțiile Edge-Computing