Az MRAM használata peremhálózati számítástechnikai eszközöknél a megbízhatóbb működéshez, rövidebb késleltetésekhez és alacsonyabb energiafogyasztáshoz

A peremhálózati számítástechnikát egyre szélesebb körűen használják különböző alkalmazásokban, mint például az ipari tárgyak internete (IIoT), a robotika, az orvostechnikai eszközök, a viselhető eszközök, a mesterséges intelligencia, az autóipar és a hordozható eszközök területein. Ennek a növekedésnek a velejárójaként nagy sebességű, rövid késleltetési idejű, nem felejtő, kisfogyasztású és olcsó memóriára is szükség van, például a programok tárolásához és az adatok biztonsági mentéséhez. Bár számos lehetőség áll rendelkezésre, beleértve a statikus véletlen hozzáférésű memóriát (SRAM), a dinamikus RAM-ot (DRAM), a flash-t és az elektromosan törölhető csak olvasható memóriát (EEPROM), ezen széles körben alkalmazott technológiák mindegyikénél egy-egy adott alkalmazásban mindig kompromisszumokat kell hozni, ezért peremhálózati számítástechnikai célokra korántsem ideálisak.

A tervezők tehát ezek helyett figyelmüket inkább a magnetorezisztív közvetlen hozzáférésű memóriák (MRAM) felé fordíthatják. Az MRAM-ot tartalmazó eszközök, amint arra az elnevezés is utal, az adatokat mágneses tárolóelemekben tárolják, és a valódi közvetlen elérésnek köszönhetően lehetővé teszik a közvetlen olvasást és írást a memóriában. Szerkezetükből és működésükből kifolyólag rövid késleltetési időkkel jellemezhetők, szivárgásuk alacsony, nagy írási ciklusszámmal és hosszú adatmegőrzési képeséggel rendelkeznek, amelyek mind nagyon kívánatosak a peremhálózati számítástechnika területén.

Ez a cikk röviden összehasonlítja az elterjedt memóriatechnológiák, köztük az EEPROM, az SRAM és a flash képességeit az MRAM-okéval. Ezután áttekinti az MRAM használatának előnyösségét számos peremhálózati számítástechnikai alkalmazásban, majd bemutat néhány MRAM-ra épülő eszközt a Renesas Electronics-tól, néhány tippet az MRAM használatára vonatkozólag, és egy fejlesztőplatformot is, amely segíti a tervezőket a fejlesztések megkezdésében.

Memóriatechnológiák összehasonlítása

A peremhálózati számítástechnikai alkalmazások tervezői többféle memóriatechnológia közül választhatnak, amelyek mindegyike változó teljesítményt kínál és használatuk különböző kompromisszumokat von maga után (1. ábra). A szoftverek futtatása során leggyakrabban a DRAM-ot használják munkamemóriaként a különféle típusú processzorok esetén. Olcsó, viszonylag lassú (az SRAM-hoz képest), jelentős mennyiségű áramot fogyaszt, és csak addig képes megőrizni az adatokat, amíg biztosítva van számára az áramellátás. A DRAM-ban tárolt adatok továbbá sérülhetnek a memóriacellákat ért sugárzás esetén.

Az SRAM gyorsabb és drágább a DRAM-nál. Gyakran processzorok gyorsítótáraként használják, míg a DRAM tölti be a fő memória szerepét. Az itt leírt memóriák közül ez a legnagyobb áramigényű, és a DRAM-hoz hasonlóan ez is egy felejtő memória. Az SRAM memóriacellák tartalma az őket ért sugárzás esetén sérülhet, viszont mind a DRAM, mind az SRAM igen hosszú élettartamot kínál.

Az EEPROM egy nem felejtő memória, amely külsőleg rákapcsolt feszültséget használ az adatok törléséhez. Az EEPROM-ok lassúak, korlátozott élettartamúak (általában legfeljebb egymillió írásciklus) és viszonylag nagy áramigényűek. Az itt leírt memóriatechnológiák közül jelenleg az EEPROM-ot használják a legkevésbé.

A flash az EEPROM egy változata, lényegesen nagyobb tárolókapacitással és gyorsabb olvasási/írási sebességgel, de még mindig viszonylag lassú. A flash olcsó, és az adatok akár 10 évig is megmaradnak áramellátás nélkül, használata azonban bonyolultabb más memóriatípusokhoz képest. Az adatokat blokkokban kell kiolvasni, bájtonként nem lehet. Ezenkívül a cellák tartalmának újraírása előtt azokat először törölni kell, de azt viszont szintén blokkonként kell végrehajtani, nem lehet bájtonként.

A maga részéről az MRAM egy igazi közvetlen hozzáférésű memória, amely lehetővé teszi a memóriacellák közvetlen olvasását és írását. Az MRAM szivárgása ezenkívül készenléti állapotban egyenlő nullával, valamint 10¹⁶ írásciklus-élettartammal rendelkezik, 20 évnél hosszabb adatmegőrzéssel 85°C-on. Tárolási sűrűsége jelenleg 4 Mbit és 16 Mbit között mozog.

Az MRAM technológia SRAM képességű olvasási/írási időkkel rendelkező flash technológiához hasonlítható (az MRAM-ot néha tartós SRAM-nak (Persistent SRAM, P-SRAM) is nevezik). Tulajdonságainak köszönhetően az MRAM különösen alkalmas olyan alkalmazásokhoz, amelyeknél az adatok minimális késéssel való tárolására és beolvasására van szükség. Ezeknél a memóriáknál az alacsony késleltetés és áramigény van ötvözve a végtelen élettartammal, skálázhatósággal és a tartós adatmegőrzési képességgel. Az MRAM eredendően immunis az alfa részecskékkel szemben, és ez alkalmassá teszi olyan eszközökben való használatra is, amelyek rendszeres sugárzásnak vannak kitéve.

1. ábra A flash-hoz és az EEPROM-hoz hasonlóan az MRAM is nem felejtő memória, és az SRAM-hoz hasonló olvasási/írási időkkel rendelkezik. (Kép: Renesas Electronics)

Hogyan működik az MRAM

Ahogy a nevéből is kiderül, az MRAM-ban lévő adatokat mágneses tárolóelemek tárolják. Mindegyik elem két ferromágneses lemezből áll, amelyek mindegyike képes a mágneses mező megtartására, és amelyeket egy vékony szigetelőréteg választ el egymástól. Ezt a kialakítást mágneses alagúthatású átmenetnek (magnetic tunnel junction, MTJ) nevezik. A két lemez egyike egy állandó mágnes, amelyet gyárilag egy meghatározott polaritásra állítanak be, míg a másik lemez mágnesezettsége az adatok tárolása érdekében megváltoztatható. A Renesas Electronics a legutóbb olyan MRAM-ra épülő eszközöket fejlesztett ki, amelyek merőleges mágneses alagúthatású átmenetekre (perpendicular magnetic tunnel junction, p-MTJ) épülő szabadalmaztatott spinnyomaték átadási (spin transfer torque MRAM, STT-MRAM) elven működnek. A p-MTJ egy fix és megváltoztathatatlan mágneses rétegből, egy dielektromos szigetelő rétegből és egy változtatható mágnesezettségű ferromágneses tárolórétegből áll (2. ábra).

2. ábra Egy STT-MRAM-cella egy MTJ átmenetből és egy azt vezérlő tranzisztorból áll. (Kép: Avalanche Technology)

Programozáskor a tároló réteg mágnesezettségi irányát egy párhuzamos (alacsony impedanciás „0”) állapotból elektromos úton egy ellenpárhuzamos (nagy impedanciás „1”) állapotba kapcsolják át, vagy ennek ellenkezője történik meg, az áramnak a p-MTJ elemen történő áthaladási irányától függően. Az adattárolásra és annak megállapítására, hogy egy cella tartalma milyen adatnak felel meg ezt a két jellegzetesen eltérő ellenállási állapotot használják.

Az MRAM használata

Az MRAM-ot például adatgyűjtéshez, IoT csomópontokban lévő memóriákhoz, peremhálózati gépi tanulást/mesterséges intelligenciás feladatokat ellátó eszközökben, valamint a kórházi RFID-címkékben használják.

A hosszú távú adatgyűjtéshez az adatgyűjtők számára több megabitnyi nem felejtő memóriára van szükség. Ezek az eszközök jellemzően akkumulátorról tápláltak, de a tápenergiájuk biztosításához energiagyűjtésre is hagyatkozhatnak, ezért itt kisfogyasztású memóriák használatára van szükség. Áramkimaradás esetén a naplózott adatokat korlátlan ideig meg kell őrizni. Az MRAM megfelel az adatgyűjtési alkalmazások műszaki követelményeinek.

Az MRAM tartós adattárolási képessége, amelyhez párosul a rendkívül alacsony energiafogyasztási üzemódban való működés is, lehetővé teszi az energiagyűjtőkkel táplált, rendkívül kis méretű IoT-csomópontoknál a programkódnak és az adatoknak egy egységes memóriában való tárolását (3. ábra). Az indítási idő gyakran fontos szempont az IoT-csomópontokál. Az MRAM segítségével megvalósított code-in-place struktúrával a rendszerindítás ideje (boot) lecsökkenthető, de az összes anyagköltség is, mivel kevesebb DRAM vagy SRAM használatára van szükség.

3. ábra Sebességének, élettartamának és adatmegőrzési képességeinek köszönhetően az MRAM megfelel az IoT-csomópontoknál szükséges memóriakövetelményeknek. (Kép: Avalanche Technology)

Az MRAM által biztosított tartósságnak köszönhetően új generációs, gépi tanulásra képes IoT-csomópontok is létrehozhatók, ahol a következtetési algoritmusokat nem kell minden alkalommal újra betölteni az eszköz ébredése után. A helyi feldolgozás magában foglalja az érzékelők adatainak elemzését, döntések meghozatalát, és egyes esetekben akár a csomópont újrakonfigurálását is. Az ilyen lokalizált intelligencia tartós és alacsony fogyasztású memóriát igényel. Ezek az eszközök valós idejű helyi közelítő következtetésekre képesek, míg a részletes elemzések végrehajtásához a felhőre hagyatkozhatnak.

Sebessége miatt az MRAM előnyösen alkalmazható a gépi tanulást végző peremhálózati eszközökben, mint például a vállalati erőforrás-tervezési (ERP), a gyártás-végrehajtási (MES), valamint a felügyeleti ellenőrzési és adatgyűjtési (SCADA) rendszerekben. Ezek a rendszerek elvégzik az adatok elemzését, azonosítják a köztes mintákat és megosztják azokat a szomszédos tartományokkal. A peremhálózati architektúrák gyors feldolgozási sebességeket és tartós memóriákat igényelnek.

A tervezők felhasználhatják az MRAM-ot olyan egészségügyi eszközökben is, ahol a rádiófrekvenciás azonosítás (RFID) előnyös lehet. Az alacsony energiafogyasztásuk és a sugárzással szembeni immunitásuk alkalmassá teszi őket kórházi környezetekben való használatra. A kórházakban az RFID-címkéket számos különböző területen használják, beleértve a készletgazdálkodást, a betegellátást és betegbiztonságot, az orvosi berendezések azonosítását, valamint a fogyóeszközök azonosítását és ellenőrzését.

Nagy teljesítményű soros MRAM memória

A peremhálózati számítástechnikai rendszerek, ideértve az ipari vezérlést és automatizálást, az orvostechnikai eszközöket, a viselhető eszközöket, a hálózati rendszereket, a tároló/RAID rendszereket, az autóipart és a robotikát használhatják a Renesas M30082040054X0IWAY integrált áramkörét (4. ábra), amely 4 és 16 Mbit közötti tárolási sűrűségben érhető el. A Renesas MRAM technológiája az SRAM-képességű olvasási/írási időkkel rendelkező flash technológiához hasonlítható. Az adatok nem illékonyak, ehhez párosul a 10¹⁶ írásciklus-élettartam és 85°C-on a 20 évnél hosszabb adatmegőrzés.

Az M30082040054X0IWAY egy soros kommunikációs interfésszel (SPI) rendelkezik, így nincs szükség szoftveres eszközvezérlő programokra. Az SPI egy szinkron soros interfész, amely külön vonalat használ az adatok és külön vonalat az órajel számára, hogy a gazda és a szolga tökéletes szinkronban legyen. Az órajel pontosan megmondja a vevőnek, hogy mikor vételezze a biteket az adatvonalról. Ez történhet az órajel felfutó (alacsony-magas), lefutó (magas-alacsony) vagy annak mindkét élénél.

4. ábra Az M30082040054X0IWAY hardveres és szoftveres adatvédelmi kapcsolási lehetőséget egyaránt kínál. A hardveres védelemre a WP# érintkező szolgál, míg a szoftveres védelem az állapotregiszter konfigurációs bitjein keresztül van biztosítva. Mindkét módszer gátolja a regiszterekbe és a memóriatömbbe való írást. (Kép: Renesas)

Az M30082040054X0IWAY támogatja az eXecute-In-Place (XIP) funkciót, amely sorozatos olvasási/írási utasításvégrehajtást tesz lehetővé, ahelyett hogy minden egyes utasításnál külön kellene betölteni az olvasási vagy írási parancsot. Az XIP módnak köszönhetően így kevesebb előfeldolgozó műveletet kell végrehajtani a parancsok előtt, és a közvetlen olvasási és írási hozzáférési idő is lecsökken.

Az M30082040054X0IWAY hardveres és szoftveres adatvédelmi kapcsolási lehetőséget egyaránt kínál. A hardveres védelemre a WP# érintkező szolgál, míg a szoftveres védelem az állapotregiszter konfigurációs bitjein keresztül van biztosítva. Mindkét módszer gátolja a regiszterekbe és a memóriatömbbe való írást. Egy 256 bájtos kibővített tárolótömbbel rendelkezik, amely független a fő memóriatömbtől. A felhasználók által programozható, és írásvédetté tehető a véletlen írások megakadályozása ellen.

Az alacsony áramfogyasztást követelő alkalmazások igényeinek további kielégítése érdekében az M30082040054X0IWAY két alacsony áramfogyasztású – a mélyalvó (Deep Power Down) és a hibernált (Hibernate) – üzemmódba kapcsolható. Ha az eszköz e két alacsony energiafogyasztású állapot bármelyikében van, semmilyen adat, sőt semmilyen beállítás sem veszik el.

Az eszközök kis helyigényű, 8-pados DFN (WSON) és 8-tűs SOIC tokozásban kaphatók. Ezek a tokozások kompatibilisek a hasonló kis fogyasztású felejtő és nem felejtő memóriákal. Ipari (-40°C - 85°C), és megerősített ipari (-40°C - 105°C) üzemi hőmérséklet-tartományú változatokban kaphatók.

Az MRAM használata

A többi memóriatechnológiához képest az MRAM jelentősen lecsökkentheti az összesített energiafogyasztást. De az, hogy ezzel mennyi energia spórolható meg változhat az adott rendszerekben történő felhasználási módtól függően. A többi nem felejtő memóriához hasonlóan az íráshoz szükséges áram itt is jóval nagyobb, mint az olvasási vagy a készenléti áram. Következésképpen, az energiaigényes alkalmazásoknál minimalizálni kell az írások időtartamát, különösen azoknál a kialakításoknál, ahol gyakran kerül sor a memóriába történő írásra. Az MRAM rövidebb írási ideinek köszönhetően ez a probléma enyhíthető, és más nem felejtő memóriatípusokhoz képest (mint például az EEPROM vagy a flash) az energiafogyasztás lecsökkenthető.

Az éppen nem használt áramköri részelemek tápfeszültségének időnkénti kikapcsolásával (power gating) és a memória lehető leggyakoribb készenléti állapotba helyezésével az MRAM-mal további energiamegtakarítás érhető el. Az MRAM gyorsabb írható állapotba kapcsolása lehetővé teszi, hogy az sokkal gyakrabban készenléti állapotba helyezhető legyen a más nem felejtő memóriákhoz képest. Az, hogy készenléti állapotban az MRAM szivárgási árama nulla itt további segítséget jelent. Figyelembe kell venni viszont, hogy a power gating módszer alkalmazása esetén gyakran nagyobb leválasztó kondenzátorra van szükség a bekapcsolási energiaszükségletek biztosításához.

MRAM fejlesztőpanel

A Renesas az M3016-EVK fejlesztőkészletet kínálja a tervezőknek segítségként az M30082040054X0IWAY-val való fejlesztéshez. Ez a 16 Mbit-es MRAM-ra épül, és lehetővé teszi a felhasználók számára, hogy interaktív hardveres megoldásokat fejlesszenek ki a népszerű Arduino kártya segítségével (5. ábra). A plug-n-play készlet tartalmaz egy Arduino alapkártyát és egy terminálemulátor szoftvert, amely USB-n keresztül tud kommunikálni egy PC-vel. A fejlesztőlap az Arduino UNO alapkártyán található UNO R3 foglalatokba való beültetéssel csatlakoztatható a kártyához. A rendelkezésre álló tesztprogramok lehetővé teszik a felhasználók számára, hogy gyorsan teszteljék az MRAM-ot tartalmazó eszközök működését.

5. ábra Az M3016-EVK fejlesztőkészlet az Arduino UNO kártyákba ültethető, lehetővé téve az MRAM memória működésének gyors tesztelését. (Kép: Renesas)

Összegzés

Peremhálózati számítástechnikai eszközök tervezésekor a hagyományos memóriatechnológiák (például a DRAM, az SRAM, a flash és az EEPROM) használata számos kompromisszumot igényel, amelyek korlátozhatják a teljesítményt. A peremhálózati számítástechnikai megoldásaikhoz a tervezők megvizsgálhatják a nemrégiben elérhetővé vált MRAM technológiát, ami valódi közvetlen hozzáférést kínál, és lehetővé teszi a memóriacellák közvetlen olvasását és írását.

Mint azt bemutattuk, az MRAM támogatja azokat a memóriaigényeket, amelyekkel a peremhálózati számítástechnika tervezői szembesülnek, többek között azzal, hogy: 1. lehetővé teszi az adatok rövid késleltetési idejű tárolását és visszakeresését, 2. energiafogyasztása igen alacsony a készenléti állapotban való nulla szivárgásnak köszönhetően, és 3. 10¹⁶ írásciklus-élettartammal rendelkezik, 20 évnél hosszabb adatmegőrzéssel 85°C-on.

Ajánlott olvasnivaló

1. Peremhálózati számítástechnikára épülő intelligens biztonsági rendszerek