Na trhu jsou k dispozici pamětí SRAM, DRAM, EEPROM a Flash. Každá z těchto technologií vyžaduje kompromisy v jedné nebo více oblastech, aby splňovaly vysoké nároky pro Edge Computing. Existuje jedna paměť, která tyto nároky splňuje bez jediného kompromisu. Jedná se o magnetorezistivní pameť MRAM. Jak název napovídá, data se ukládají do magnetických úložných prvků a nabízejí skutečný náhodný přístup. Jejich struktura a provoz je taková, že se vyznačují nízkou latencí, vysokým počtem cyklů zápisu a vysokou retencí. To jsou všechno vlastnosti, které jsou vyžadovány pro Edge Computing.
Tento článek stručně porovnává možnosti běžných paměťových technologií. Poté se zaměří na vlastnosti paměti MRAM a představí konkrétní paměti MRAM od společnosti Renesas Electronics.
Porovnání paměťových technologií
Při vývoji aplikace Edge Computing máme na výběr z několika paměťových technologií, z nichž každá nabízí různé možnosti výkonu (obrázek 1). DRAM se nejčastěji používá jako hlavní paměť pro různé typy procesorů. Je levná, relativně pomalá (ve srovnání s SRAM), spotřebovává značné množství energie a uchovává data, jen pokud je napájena. Paměťové buňky DRAM jsou navíc náchylné vůči záření. SRAM je rychlejší, ale je dražší než DRAM. Často se používá jako mezipaměť pro procesory, zatímco DRAM jako hlavní paměť. Stejně jako DRAM je SRAM volatilní paměť.
EEPROM je energeticky nezávislá paměť, je pomalá, má omezenou životnost - obvykle až jeden milion cyklů zápisu, ale je relativně náročné na energii.
Flash paměť je podobná paměti EEPROM, ale s podstatně větší úložnou kapacitou a vyšší rychlostí čtení / zápisu. Bohužel je ale relativně pomalá. Flash paměť je levná a data v ní přežijí až 10 let, aniž by byla napájena. Použití paměti Flash je však složitější ve srovnání s jinými typy paměti. Data musí být čtena v blocích, nelze je číst bajt po bajtu. Před přepsáním musí být příslušné buňky vymazány. Vymazání musí být provedeno blok po bloku, ne po jednotlivých bajtech.
MRAM je paměť s opravdovým náhodným přístupem. MRAM paměť vykazuje nulovou ztrátu v pohotovostním režimu. Je schopna vydržet 1016 cyklů zápisu a dokáže uchovat data po dobu více než 20 let při 85°C. V současné době jsou na trhu ve velikostech od 4 do 16 Mbits.
Technologie MRAM je analogická k technologii flash, ale s časováním čtení a zápisu jako u paměti SRAM (MRAM se někdy označuje jako perzistentní SRAM (P-SRAM)).
Paměti MRAM jsou díky svým vlastnostem vhodné pro aplikace, které musí ukládat a načítat data s minimální latencí. Nízká latence není jedinou vlastností, kterou MRAM paměti disponují. Mají nízkou spotřebu energie, nekonečnou výdrž, jsou škálovatelné a jsou imunní vůči částicím alfa.
Obrázek 1: MRAM je energeticky nezávislá paměť jako Flash a EEPROM paměť a má časování čtení a zápisu stejné jako SRAM paměť. (Zdroj obrázku: Renesas Electronics)
Jak funguje paměť MRAM
Jak název napovídá, data v paměti MRAM jsou ukládána do magnetických prvků. Prvky jsou vytvořeny ze dvou feromagnetických desek, z nichž každá může držet tuto „magnetizaci“ oddělenou tenkou izolační vrstvou. Tato struktura se nazývá přechod magnetického tunelu (MTJ – magnetic tunnel junction). Jedna ze dvou desek je permanentní magnet nastavený na specifickou polaritu již během výroby. Magnetizace druhé desky lze změnit tak, aby odpovídala uložené informaci. Společnost Renesas Electronics nabízí paměť MRAM, která používá patentovaný točivý moment MRAM (STT-MRAM), který je založen na kolmém přechodu magnetického tunelu (p-MTJ). P-MTJ zahrnuje pevnou a neměnnou magnetickou vrstvu, vrstvu dielektrické bariéry a vyměnitelnou feromagnetickou paměťovou vrstvu (obrázek 2).
Obrázek 2: Základní buňka STT-MRAM se skládá z jednoho MTJ a jednoho přístupového tranzistoru. (Zdroj obrázku: Avalanche Technology)
Během programovací operace se magnetická orientace „ukládací“ vrstvy elektricky přepíná z paralelního stavu (stav s nízkým odporem „0“) do antiparalelního stavu (stav s vysokým odporem „1“), v závislosti na směru proudu skrz prvek p-MTJ. Tyto dva odlišné stavy odporu se používají pro ukládání i snímání dat.
Použití MRAM
Paměti MRAM najdou své uplatnění v širokém spektru aplikací. Jedná se o ukládání dat v uzlech IoT, v aplikacích strojového učení a umělé inteligenci, Edge Computing nebo uvnitř tagů v RFID.
Dataloggery vyžadují několik megabitů energeticky nezávislé paměti pro dlouhodobé ukládání dat. Obvykle jsou napájeny z baterie, ale mohou se také spoléhat na získávání energie (tzv. energy harvesting), a proto je nutné, aby paměť měla velmi nízkou spotřebou energie. V případě ztráty napájení musí být zaznamenaná data uchována po neomezenou dobu. Paměť MRAM tyto požadavky plně bezproblémově splňuje. Čas spuštění je často důležitým faktorem v uzlech IoT. Použitím paměti MRAM se může zkrátit čas potřebný ke startu celého systému.
Obrázek 3: Rychlost, vytrvalost a schopnost uchovávání dat pomáhají splnit požadavky uzlů IoT. (Zdroj obrázku: Avalanche Technology)
Perzistence nabízená pamětí MRAM je vhodná pro strojové učení, kde se příslušné učící algoritmy nemusí znovu načítat pokaždé po probuzení zařízení. Lokální zpracování zahrnuje analýzu dat senzoru a v některých případech dokonce rekonfiguraci uzlu. Tato lokalizovaná inteligence vyžaduje trvalou paměť s nízkou spotřebou. Zařízení s lokální analýzou mohou ihned reagovat na lokální výsledek analýzy v reálném čase. Pro zpřesnění výsledků mohou využít cloud a provést detailnější analýzu.
Rychlost pamětí MRAM je výhodná pro implementaci strojového učení a Edge Computing zařízení, jako jsou systémy plánování podnikových zdrojů (ERP), systémy výroby (MES) a systémy dohledové kontroly a získávání dat (SCADA). V těchto systémech jsou data analyzována a sdílena se sousedními doménami. Edge architektura vyžaduje rychlost zpracování a trvalou paměť.
Paměť MRAM lze použít také ve zdravotnických zařízeních, kde se často používá technologie RFID. Díky nízké spotřebě energie a odolnosti proti záření je vhodný pro nemocniční prostředí. RFID tagy v nemocnicích se používají z různých důvodů, například správy inventáře, péče o pacienty, identifikace lékařského vybavení, identifikace a monitorování spotřebního materiálu.
Vysoce výkonná sériová paměť MRAM
Společnost Renesas nabízí MRAM paměť M30082040054X0IWAY (obrázek 4) o velikosti od 4 do 16 Mbits. Tato paměť snese 1016 cyklů zápisu a nabízí více než 20leté uchování dat, a to i při teplotě 85°C. Pro komunikaci s procesorem využívá sériové rozhraní SPI, které má oddělené vodiče pro data a hodiny. Hodiny přesně určují, kdy je na datové lince přítomna bitová informace. Lze si vybrat mezi vzestupnou, sestupnou nebo oběma hranami hodinového signálu.
Obrázek 4: Paměť M30082040054X0IWAY nabízí jak hardwarovou, tak softwarovou ochranu dat. Hardwarová ochrana je zajištěna pomocí pinu WP#. Softwarová ochrana je řízena konfiguračními bity ve stavovém registru. Obě ochrany brání zápisu do registrů a paměťového pole. (Zdroj obrázku: Renesas)
M30082040054X0IWAY podporuje funkci eXecute-in-place (XIP), která umožňuje dokončení řady instrukcí pro čtení a zápis, aniž by bylo nutné jednotlivě načíst příslušné příkazy pro každou instrukci. Tím režim XIP šetří režii příkazů a snižuje dobu náhodného čtení a zápisu.
Paměť M30082040054X0IWAY nabízí dva stavy nižší spotřeby. Deep Power Down a Hibernate. Když je zařízení v jednom z těchto dvou stavů nízké spotřeby, nedochází ke ztrátě dat. Zařízení si navíc udržuje všechny své konfigurace.
Paměť je k dispozici v malých rozměrech 8-pad DFN (WSON) a 8-pin SOIC pouzdru a její provozní teplota se pohybuje v rozmezí -40 °C až 85 °C a pro náročné prostředí v rozmezí od -40 °C až do 105 °C.
Nízká spotřeba paměti MRAM
Paměť MRAM může významně snížit celkovou spotřebu energie ve srovnání s jinými technologiemi. Výše úspory energie se však může lišit v závislosti na konkrétním designem dané aplikace. Stejně jako ostatní energeticky nezávislé paměti je proud při zápisu mnohem vyšší než při čtení. Proto je vhodné zkrátit časy zápisu, zejména u aplikací, které vyžadují časté zápisy do paměti.
Další úspora energie se dosáhne tím, že paměť MRAM se bude uvádět do pohotovostního režimu co nejčastěji. Rychlejší start paměti MRAM umožňuje častější použití pohotovostního režimu než u jiných energeticky nezávislých pamětí. Velkou výhodou je, že v pohotovostním režimu paměť MRAM vykazuje nulovou ztrátu.
Vývojová deska s pamětí MRAM
Renesas poskytuje vývojovou desku M3016-EVK, aby se vývojáři mohli seznámit s vlastnostmi paměti M30082040054X0IWAY. Obsahuje 16-Mbit MRAM a umožňuje uživatelům vyvíjet interaktivní hardwarová řešení pomocí populární desky Arduino (obrázek 5).
Sada plug-n-play obsahuje hostitelskou desku Arduino a emulátor, který komunikuje pomocí USB s počítačem. Vývojová deska se připojuje k desce Arduino UNO pomocí hlaviček UNO R3. Poskytnuté testovací programy umožňují rychle vyhodnotit vlastnosti paměti MRAM.
Obrázek 5: Vývojová deska M3016-EVK se připevňuje na desku Arduino UNO, aby vývojář mohl prozkoumat vlastnosti paměti MRAM. (Zdroj obrázku: Renesas)
Závěr
Návrh zařízení s podporou Edge computing pomocí běžných paměťových technologií, jako jsou DRAM, SRAM, Flash a EEPROM vyžaduje řadu kompromisů, které omezují výkon celé aplikace. K dispozici jsou paměti MRAM, které nabízejí skutečný náhodný přístup, velmi nízkou latenci, nízkou spotřebu energie a schopnost vydržet 1016 cyklů zápisu s možností uchování dat po větší dobu než 20 let i při teplotě 85 °C.
Článek vyšel v originále na webu DigiKey.com, autorem je Jeff Shepard.
Komentáře
vývojová deska ze zlata
Trochu to přestřelili s cenou ... paměť má cenovku 18USD, řekněme 16M bude za 40 , to tlačítko musí být z platiny a spoje ze zlate... Protože ARDUINO UNO je za 20USD, bižuterie za 10, zbývá 150USD z 220!!! na desku... ???