Jak wykorzystać MRAM w aplikacjach IoT.

Obserwujemy wzrost wykorzystania przetwarzania brzegowego w takich zastosowaniach, jak przemysłowy Internet rzeczy (IIoT), robotyka, urządzenia medyczne, urządzenia noszone, sztuczna inteligencja, motoryzacja oraz konstrukcje przenośne. Wraz z tym pojawia się zapotrzebowanie na nieulotne pamięci o wysokich prędkościach, niskich latencjach, niskiej mocy i niskich kosztach, przeznaczonych do przechowywania programów i kopii zapasowych danych. Dostępnych jest wiele opcji, takich jak statyczne pamięci o dostępie swobodnym (SRAM), dynamiczne pamięci RAM (DRAM), pamięci Flash oraz elektrycznie wymazywane i programowane pamięci tylko do odczytu (EEPROM), jednak każda z tych szeroko stosowanych technologii oznacza kompromisy w jednej lub kilku dziedzinach, które sprawiają, że nie są one idealnym rozwiązaniem w przetwarzaniu brzegowym.

Zamiast nich projektanci mogą zainteresować się magnetorezystywnymi pamięciami o dostępie swobodnym (MRAM). Urządzenia MRAM, jak sama nazwa wskazuje, przechowują dane w elementach magnetycznych i oferują całkowicie swobodny dostęp, umożliwiający swobodny odczyt i zapis w pamięci. Ich struktura i działanie zapewniają cechy pożądane w przetwarzaniu brzegowym, takie jak niska latencja, niski upływ, wysoka liczba cykli zapisu oraz długi czas retencji.

Artykuł porównuje pokrótce działanie i parametry powszechnie stosowanych technologii pamięci, takich jak EEPROM, SRAM i Flash z pamięcią MRAM. Następnie analizuje korzyści ze stosowania magnetorezystywnych pamięci o dostępie swobodnym (MRAM) w kilku zastosowaniach przetwarzania brzegowego, a także przedstawia konkretne urządzenia pamięci MRAM firmy Renesas Electronics, kilka porad dotyczących użycia pamięci MRAM, a także platformę ewaluacyjną wspomagającą projektantów w rozpoczęciu prac.

Porównanie technologii pamięci

Projektanci zastosowań przetwarzania brzegowego mogą wybierać spośród kilku technologii pamięci. Każda z nich charakteryzuje się innymi parametrami i kompromisami (ilustracja 1). Dynamiczna pamięć o dostępie swobodnym (DRAM) najczęściej jest pamięcią roboczą w różnego rodzaju procesorach wykorzystywaną podczas wykonywania programów. Jest ona niedroga, stosunkowo wolna (w porównaniu z pamięcią SRAM), zużywa dość dużo energii i przechowuje dane tylko tak długo, jak otrzymuje zasilanie. Ponadto komórki pamięci DRAM są podatne na uszkodzenia spowodowane promieniowaniem.

Statyczna pamięć o dostępie swobodnym (SRAM) jest szybsza i droższa od pamięci DRAM. Często jest używana jako pamięć podręczna procesorów, podczas gdy pamięć DRAM jest pamięcią główną. Zużywa ona najwięcej energii ze wszystkich opisywanych tu rodzajów pamięci. Podobnie jak pamięć DRAM, jest ona pamięcią ulotną. Komórki pamięci SRAM są podatne na uszkodzenie przez promieniowanie; zarówno pamięci DRAM, jak i SRAM zapewniają wysoką wytrzymałość.

Elektrycznie wymazywana i programowana pamięć tylko do odczytu (EEPROM) jest pamięcią nieulotną, która do wymazywania danych wykorzystuje napięcie doprowadzone z zewnątrz. Pamięci EEPROM są wolne i charakteryzują się ograniczoną wytrzymałością, zwykle nie przekraczającą miliona cykli, a także stosunkowo dużym zużyciem energii. Pamięci EEPROM obecnie są najrzadziej stosowaną spośród opisanych tutaj technologii.

Pamięć Flash jest wariantem pamięci EEPROM, jednak posiada znacznie większą pojemność oraz charakteryzuje się wyższymi prędkościami odczytu i zapisu, jednak nadal jest stosunkowo wolna. Pamięć Flash jest niedroga i przechowuje dane nawet przez 10 lat bez zasilania. Jednak pamięć Flash jest bardziej skomplikowana w użyciu w porównaniu z pozostałymi typami pamięci. Dane muszą być odczytywane blokami i nie mogą być odczytywane pojedynczymi bajtami. Ponadto komórki wymagają wymazania przed ponownym zapisaniem. Wymazywanie musi być wykonywane blokami, a nie indywidualnymi bajtami.

Z kolei magnetorezystywna pamięć o dostępie swobodnym (MRAM) jest pamięcią o dostępie całkowicie swobodnym. Umożliwia ona swobodny odczyt i zapis w pamięci. Pamięć MRAM charakteryzuje się również zerowym upływem w trybie pogotowia i łączy wytrzymałość 1016 cykli zapisu oraz możliwość retencji danych przekraczającą 20 lat w temperaturze 85°C. Aktualnie jest ona oferowana w gęstościach od 4Mb do 16Mb.

Technologia MRAM jest analogiczna do technologii Flash i jest kompatybilna z czasami zapisu oraz odczytu pamięci SRAM (pamięć MRAM jest czasem nazywana trwałą pamięcią SRAM (P-SRAM)). Ze względu na właściwości, pamięć MRAM jest szczególnie odpowiednia do zastosowań wymagających zapamiętywania i pobierania danych z minimalną latencją. Łączy ona niską latencję z niską mocą, nieskończoną wytrzymałością, skalowalnością i nieulotnością. Pamięci MRAM charakteryzują się odpornością na cząstki alfa, dlatego są odpowiednie do stosowania w urządzeniach, które są regularnie narażone na promieniowanie.

Ilustracja 1: Magnetorezystywna pamięć o dostępie swobodnym (MRAM) jest nieulotna, podobnie jak pamięci Flash oraz EEPROM i charakteryzuje się czasami zapisu i odczytu kompatybilnymi z technologią SRAM. (Źródło ilustracji: © Renesas Electronics)