Miten parantaa luotettavuutta, vähentää latenssia ja vähentää virrankulutusta reunalaskennassa MRAM-muistia käyttämällä

Reunalaskennan käyttö kasvaa sellaisissa sovelluksissa kuten teollinen esineiden Internet (IIoT), robotiikka, lääketieteelliset laitteet, puettavat laitteet, tekoäly, autoteollisuus sekä siirrettävät tuotteet. Tämän kasvun ohella tarvitaan nopeaa, alhaisen latenssin, haihtumatonta, vähävirtaista ja edullista muistia sellaisiin käyttötarkoituksiin kuten ohjelman tallennus ja datan varmuuskopiointi. Vaikka tarjolla on useita vaihtoehtoja, mukaan lukien SRAM (Static Random Access Memory), DRAM (Dynaaminen RAM), flash sekä EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory), kukin näistä laajasti käytetystä teknologiasta vaatii kompromisseja yhdellä tai useammalla alueella, mikä tekee niistä vähemmän ihanteellisia reunalaskentaan.

Näiden sijaan suunnittelijat voivat tutustua MRAM-muisteihin (Magnetoresistive Random Access Memory). MRAM-laitteet nimensä mukaisesti tallentavat tiedon magneettisiin muistielementteihin ja ne tarjoavat todellisen hajasaannin, sekä lukeminen että kirjoitus voidaan suorittaa muistissa minne tahansa. Niiden rakenne ja toiminta ovat sellaisia, että ne tarjoavat alhaisen latenssin, alhaisen vuotovirran, korkean kirjoitussyklimäärän sekä korkean tietojen säilyvyyden. Kaikki nämä ominaisuudet ovat erittäin tärkeitä reunalaskennassa.

Tämä artikkeli vertailee lyhyesti tavallisten muistiteknologioiden suorituskykyä MRAM-muistiin verrattuna, mukaan lukien EEPROM, SRAM sekä flash. Tämän jälkeen artikkelissa tarkastellaan MRAM-muistin etuja erilaissa reunalaskentasovelluksissa ja sitten artikkelissa esitellään eräitä MRAM-laitteita yritykseltä Renesas Electronics, eräitä vinkkejä MRAM-muistin käyttöön sekä arviointialusta, jota suunnittelijat voivat käyttää vauhtiin pääsemiseksi.

Muistiteknologioiden vertailu

Reunalaskentasovellusten suunnittelijoilla on valittavanaan useita muistiteknologioita, joista kukin tarjoaa erilaisen suorituskyvyn ja erilaiset kompromissit (kuva 1). DRAM-muistia käytetään tavallisesti työmuistina erityyppisille prosessoreille ohjelmiston suorituksen aikana. Se on edullista, suhteellisen hidasta (SRAM-muistiin verrattuna), kuluttaa merkittävästi virtaa ja säilyttää datan vain niin kauan kuin sillä on virtaa. Lisäksi säteily muuttaa helposti DRAM-muistikennojen tilaa.

SRAM on nopeampaa ja kalliimpaa kuin DRAM. Sitä käytetään usein prosessorien välimuistina, kun taas DRAM-muistia käytetään päämuistina. Se on kaikkein virtasyöpöin tässä kuvatuista muisteista, ja kuten DRAM, se on haihtuva muisti. Säteily muuttaa helposti SRAM-kennojen tilaa ja sekä DRAM- että SRAM-muistin kestävyys on hyvä.

EEPROM on ei-haihtuva muisti joka käyttää ulkoista jännitettä datan nollaamiseen. EEPROM-muisti on hidasta ja sen kestävyys on rajoitettua – tyypillisesti enintään miljoona sykliä – ja ne ovat varsin virtasyöppöjä. EEPROM on tässä kuvatusta muisteista kaikkein vähiten käytetty tällä hetkellä.

Flash on EEPROM-muistin variaatio, jonka tallennuskapasiteetti on huomattavasti korkeampi ja jonka luku-/kirjoitusnopeus on nopeampi, mutta se on silti suhteellisen hidas. Flash on edullista ja data kestää ilman virtaa jopa 10 vuotta. Flash-muistin käyttö on kuitenkin kompleksisempaa kuin muiden muistityyppien. Data on luettava lohkoina eikä sitä voi lukea tavu tavulta. Kennot on myös nollattava ennen kuin niihin voi kirjoittaa. Nollaus on suoritettava lohkotasolla, yksittäisiä tavuja ei voi nollata.

MRAM toisaalta on oikea hajasaantimuisti ja mahdollistaa sekä lukemisen että kirjoittamisen minne tahansa muistissa. Myös MRAM-muistin vuotovirta on lepotilassa nolla ja se kestää 10¹⁶ kirjoitussykliä. Datan säilyvyys on yli 20 vuotta 85 °C:n lämpötilassa. Sitä on tällä hetkellä saatavana muistitiheyksinä 4–16 megabittiä (Mb).

MRAM-teknologia vastaa flash-teknologiaa ja sen luku-/kirjoitusnopeus vastaa SRAM-muistia (MRAM-muistia kutsutaan joskus pysyväksi SRAM-muistiksi (P-SRAM)). Ominaisuuksiensa ansiosta MRAM sopii erityisen hyvin sovelluksiin, joissa dataa on tallennettava ja luettava mahdollisimman pienellä latenssilla. Se yhdistää tämän alhaisen latenssin alhaiseen virrankulutukseen, rajattomaan kestävyyteen, skaalautuvuuteen sekä haihtumattomuuteen. Koska MRAM-muisti on luontaisesti immuuni alpha-hiukkasille, se sopii myös laitteisiin, jotka altistuvat säännöllisesti säteilylle.

Kuva 1: MRAM on haihtumatonta kuten Flash ja EEPROM ja sen luku-/kirjoitusnopeus vastaa SRAM-muistia. (Kuvan lähde: Renesas Electronics)

Miten MRAM toimii

Nimensä mukaisesti data tallennetaan MRAM-muistissa magneettisiin muistielementteihin. Elementit muodostuvat kahdesta ferromagneettisesta levystä, joista kumpikin voi säilyttää magnetisoinnin, ja joiden välissä on ohut eristekerros. Tätä rakennetta kutsutaan nimellä magneettitunneliliitos (MTJ). Toinen kahdesta levystä on kestomagneetti, joka on asetettu tiettyyn polaarisuuteen valmistuksen aikana; toisen levyn magnetisointia voidaan muuttaa datan tallentamista varten. Renesas Electronics hiljattain lisäsi MRAM-laitteet, joissa käytetään valmistajan omaa spinnin siirtomomentti MRAM (STT-MRAM) -tekniikkaa, joka perustuu kohtisuoraan magneettitunneliliitokseen (p-MTJ). p-MTJ sisältää kiinteän ja muuttumattoman magneettisen kerroksen, dielektrisen sulkukerroksen sekä muuttuvan ferromagneettisen muistikerroksen (kuva 2).

Kuva 2: STT-MRAM-peruskenno muodostuu yhdestä MTJ-liitoksesta ja yhdestä käyttötransistorista. (Kuvan lähde: Avalanche Technology)

Kun laite ohjelmoidaan, muistikerroksen magneettinen orientaatio vaihdetaan sähköisesti samansuuntaisesta tilasta (alhainen resistanssitila “0”) päinvastaiseen tilaan (korkea resistanssitila “1”), tai päin vastoin, riippuen p-MTJ-elementin läpi kulkevan virran suunnasta. Näitä kahta resistanssitilaa käytetään datan tallennukseen ja lukemiseen.

MRAM-käyttötapaukset

Datan kirjaaminen, IoT-solmujen muistit, koneoppiminen/tekoäly reunalaskentalaitteissa sekä RFID-tunnisteet sairaalassa ovat esimerkkejä MRAM-käyttötapauksista.

Dataloggerit tarvitsevat useita megabittejä haihtumatonta muistia tallentaakseen pitkänä aikana kerääntyneen datan. Ne ovat tyypillisesti akkukäyttöisiä, mutta saattavat luottaa myös energian talteenottoon, ja tarvitsevat siksi vähävirtaista muistia. Virtojen katketessa kirjatun datan on säilyttävä loputtomasti. MRAM täyttää dataloggereiden suorituskykyvaatimukset.

MRAM-muistin säilyvyys yhdessä erittäin alhaisen virransäästötilan kanssa mahdollistaa yhtenäisen muistiratkaisun sekä koodille että datalle IoT-solmuissa, jotka toimivat energian talteenotolla tai akuilla ja jotka voivat olla erittäin pieniä (kuva 3). Käynnistysaika on usein tärkeä tekijä IoT-solmuissa. Paikaltaan suoritettavan koodin toteuttaminen MRAM-muistia käyttämällä voi laskea käynnistyksen vaatimaa aikaa sekä osaluettelokustannuksia, koska DRAM- ja SRAM-muistia tarvitaan vähemmän.

Kuva 3: MRAM-muisti täyttää nopeutensa, kestävyytensä ja datan säilyvyyden ansiosta IoT-solmujen muistivaatimukset. (Kuvan lähde: Avalanche Technology)

MRAM-muistin säilyvyys mahdollistaa myös uuden sukupolven koneoppimiseen pystyvät IoT-solut, joissa päättelyalgoritmeja ei tarvitse ladata uudelleen joka kerta kun laite herää uudelleen. Paikallinen prosessointi sisältää anturidatan analysoinnin, päätösten tekemisen ja joissain tapauksissa jopa solmun uudelleen konfiguroimisen. Tällainen paikallinen älykkyys vaatii säilyvää ja vähävirtaista muistia. Nämä laitteet voivat toteuttaa paikallisen karkeatasoisen päättelyn reaaliajassa ja käyttää pilveä tarkempaan analyysiin.

MRAM-muistin nopeus on hyödyllistä toteutettaessa koneoppimista reunalaitteissa esimerkiksi ERP (Enterprise Resource Planning) -toiminnanohjausjärjestelmissä, MES-järjestelmissä (Manufacturing Execution Systems) sekä SCADA-järjestelmissä (Supervisory Control And Data Acquisition). Näissä järjestelmissä data analysoidaan ja siitä tunnistetaan välimalleja, jotka jaetaan viereisten verkkoalueiden kanssa. Reuna-arkkitehtuuri vaatii prosessointinopeutta ja pysyvää muistia.

Suunnittelijat voivat käyttää MRAM-muistia myös terveydenhuollon laitteissa, joissa RFID (Radio Frequency IDentification) on käytännöllistä. Laitteen alhainen virrankulutus ja sen immuniteetti säteilylle tekevät siitä sopivan sairaalaympäristöihin. Sairaaloissa käytetään RFID-tunnuksia useisiin käyttötarkoituksiin, mukaan lukien inventaarion hallinta, potilaiden hoito ja turvallisuus, lääketieteellisten laitteiden identifiointi sekä kulutustarvikkeiden identifiointi ja seuranta.

Korkeatehoinen sarjamuotoinen MRAM-muisti

Reunalaskentajärjestelmien suunnittelijat, mukaan lukien teollisuuden ohjausjärjestelmät ja automaatio, lääketieteelliset laitteet, puettavat, verkkojärjestelmät, tallennus/RAID, autoteollisuus sekä robotiikka, voivat käyttää Renesas-yrityksen muistia M30082040054X0IWAY (kuva 4). Sitä on saatavana tiheyksissä 4 Mb – 16 Mb. Renesas-yrityksen MRAM-teknologia vastaa flash-teknologiaa SRAM-muistia vastaavalla luku-/kirjoitusnopeudella. Data on aina haihtumatonta ja sen kestävyys on 10¹⁶ kirjoitussykliä ja se säilyy yli 20 vuotta lämpötilassa 85 °C.

M30082040054X0IWAY tarjoaa SPI-rajapinnan (Serial Peripheral Interface), mikä eliminoi ohjelmiston tarpeen laiteajureille. SPI on synkroninen sarjaliitäntä, jossa on erilliset johdot datalle ja kellolle isäntälaitteen ja ohjattavan laitteen pitämiseksi täydellisessä synkronisoinnissa. Kello kertoo vastaanottajalle tarkalleen milloin lukea bitit datalinjasta. Tämä voi tapahtua joko nousevalla (alhaalta ylös) tai laskevalla (ylhäältä alas) reunalla tai kellosignaalin molemmilla reunoilla.

Kuva 4: M30082040054X0IWAY tarjoaa datalle sekä laitteisto- että ohjelmistopohjaisen suojaustavan. Laitteistosuojaus toteutetaan WP# -pinnin kautta. Ohjelmistosuojausta ohjataan statusrekisterin konfigurointibiteillä. Molemmat tavat estävät kirjoituksen rekistereihin ja muistitaulukkoon. (Kuvan lähde: Renesas)

M30082040054X0IWAY tukee XIP-ominaisuutta (eXecute-In-Place), mikä mahdollistaa luku- ja kirjoituskäskysarjojen suorituksen tarvitsematta erikseen lataus- tai kirjoituskäskyä jokaiselle käskylle. XIP-tila säästää tällä tavalla käskyihin liittyvää kuormitusta ja vähentää luku- ja kirjoitusaikaa haluttuihin osoitteisiin.

M30082040054X0IWAY tarjoaa datalle sekä laitteisto- että ohjelmistopohjaisen suojaustavan. Laitteistosuojaus toteutetaan WP# -pinnin kautta. Ohjelmistosuojausta ohjataan statusrekisterin konfigurointibiteillä. Molemmat tavat estävät kirjoituksen rekistereihin ja muistitaulukkoon. Laitteessa on 256 tavun Augmented Storage Array -muistitaulukko, joka on päämuistitaulukosta riippumaton. Käyttäjä voi ohjelmoida sitä ja se voidaan kirjoitussuojata tahatonta kirjoitusta vastaan.

M30082040054X0IWAY tarjoaa kaksi virransäästötilaa vähävirtaisia sovelluksia ajatellen: syvä virransäästötila ja horrostila. Data ei katoa kun laite on näissä virransäästötiloissa. Lisäksi laite säilyttää kaikki konfigurointitiedot.

Laite on saatavana pienessä 8 juotoskohdan DFN- (WSON) tai 8 pinnin SOIC-kotelossa. Nämä kotelot vastaavat samankaltaisia vähävirtaisia haihtuvia ja haihtumattomia tuotteita. Laite on saatavana teollisuuden käyttölämpötila-alueella (-40 °C ... 85 °C) sekä laajennetulla teollisuuden käyttölämpötila-alueella (-40 °C ... 105°C).

MRAM-muistin käyttäminen

MRAM voi vähentää merkittävästi kokonaisenergian kulutusta muihin muistiteknologioihin verrattuna. Saatavat energiasäästöt riippuvat kuitenkin kyseisen sovellusmallin käyttötavoista. Kuten muissakin haihtumattomissa muisteissa, kirjoitusvirta on paljon korkeampi kuin lukuvirta tai valmiustilan virta. Tästä syystä kirjoitusajat on minimoitava virtakriittisissä sovelluksissa, erityisesti jos sovellus vaatii säännöllistä kirjoitusta muistiin. MRAM-muistin lyhyemmät kirjoitusajat saattavat helpottaa tätä tarkastelua ja vähentää virrankulutusta muihin haihtumattomiin muistivaihtoehtoihin verrattuna, esimerkkeinä EEPROM ja flash.

MRAM-muistilla voidaan saavuttaa lisäsäästöjä virrankulutuksessa käyttämällä virranrajoituksen tarjoavaa järjestelmäarkkitehtuuria ja asettamalla muisti valmiustilaan mahdollisimman usein. MRAM-muistin nopeampi käynnistymisaika kirjoitusta varten mahdollistaa, että MRAM asetetaan valmiustilaan useammin kuin muut haihtumattomat muistit. Myös MRAM-muistin nolla vuotovirta valmiustilassa auttaa virransäästössä. Huomaa, että virranrajoitusta käytettäessä tarvitaan usein suurempi erotuskondensaattori tukemaan käynnistyksen korkeampaa virrantarvetta.

MRAM-arviointialusta

Jotta kehittäjät pääsisivät hyvin alkuun M30082040054X0IWAY-muistin kanssa, Renesas tarjoaa M3016-EVK -arviointisarjan. Tämä sisältää 16 Mb MRAM-muistia ja sen avulla käyttäjät voivat kehittää interaktiivisia laitteistoratkaisuita käyttäen suosittua Arduino-korttia (kuva 5). Plug-n-play-sarja sisältää Arduino-isäntäkortin ja terminaaliemulaattoriohjelmiston, joka kommunikoi tietokoneen kanssa käyttäen USB-liitäntää. Arviointialusta asennetaan Arduino UNO -isäntäkortin päälle UNO R3 -liittimien avulla. Sarjan mukana toimitettavien testiohjelmien avulla käyttäjät voivat pikaisesti arvioida MRAM-laitteen toiminnallisuutta.

Kuva 5: M3016-EVK-arviointisarja asennetaan Arduino UNO -isäntäkortin päälle ja sen avulla on mahdollista nopeasti arvioida MRAM-muistin suorituskykyä. (Kuvan lähde: Renesas)

Yhteenveto

Reunalaskentalaitteiden suunnittelu käyttäen konventionaalisia muistiteknologioita, kuten DRAM, SRAM, flash ja EEPROM, vaatii erilaisia kompromisseja, jotka saattavat rajoittaa suorituskykyä. Reunalaskennan suunnittelijat voivat tutustua hiljattain esiteltyihin MRAM-muisteihin, jotka tarjoavat aidon hajasaannin, jossa sekä luvut että kirjoitukset voidaan tehdä haluttuihin muistipaikkoihin.

Kuten artikkelissa osoitetaan, MRAM tukee reunalaskennan suunnittelijoiden muistitarpeita, mukaan lukien: laitteen on tallennettava ja palautettava data ilman pitkää latenssia; alhainen virrankulutus koska vuotovirta valmiustilassa on nolla; laitteen on kestettävä 10¹⁶ kirjoitussykliä ja datan säilyvyyden on oltava yli 20 vuotta 85 °C:n lämpötilassa.

Suositeltavaa luettavaa

1. Älykkäät turvallisuusjärjestelmät käyttäen reunalaskentaa