Sådan bruges MRAM til at forbedre pålideligheden, sænke forsinkelser og reducere strøm til Edge-computing

Brugen af edge computing vokser på tværs af applikationer som Industrial Internet of Things (IIoT), robotteknologi, medicinsk udstyr, wearables, kunstig intelligens, bilindustrien og bærbare designs. Sammen med denne vækst er behovet for høj hastighed, lav latenstid, ikke-flygtig, laveffektiv, billig hukommelse til anvendelser såsom programlagring og sikkerhedskopiering af data. Mens der er mange tilgængelige muligheder, herunder statisk tilfældig adgangshukommelse (SRAM), dynamisk RAM (DRAM), flash og elektrisk sletbar programmerbar skrivehukommelse (EEPROM), kræver hver af disse vidt anvendte teknologier afvejninger inden for et eller flere områder for at der gør dem mindre end ideelle til edge computing.

I stedet kan designere se på magnetoresistive hukommelser med tilfældig adgang (MRAM). MRAM-enheder, som navnet antyder, gemmer data i magnetiske lagerelementer og tilbyder ægte tilfældig adgang, så både læsning og skrivning kan forekomme tilfældigt i hukommelsen. Deres struktur og funktion er sådan, at de har lav latenstid, lav lækage, høj skrivecyklustælling og høj retention, som alle er meget ønskelige til kantcomputering.

Denne artikel sammenligner kort ydeevne for almindelige hukommelsesteknologier inklusive EEPROM, SRAM og flash med MRAM. Derefter gennemgås fordelene ved at bruge MRAM i flere edge computing-applikationer og derefter introducere specifikke MRAM-enheder fraRenesas Electronics , nogle MRAM-brugstips og en evalueringsplatform, der hjælper designere med at komme i gang med deres design.

Hukommelsesteknologi sammenligning

Designere af edge computing-applikationer har flere hukommelsesteknologier at vælge imellem, som hver har forskellige ydeevneegenskaber og kompromiser (figur 1). DRAM leverer oftest arbejdshukommelsen til forskellige typer processorer under softwareudførelse. Det er billigt, relativt langsomt (sammenlignet med SRAM), forbruger betydelige mængder strøm og beholder kun data, så længe der er strømforsyning. Derudover er DRAM-hukommelsesceller udsat for korruption ved stråling.

SRAM er hurtigere og er dyrere end DRAM. Det bruges ofte som cachehukommelse for processorer, mens DRAM giver hovedhukommelsen. Det er den mest magthungrige af de minder, der beskrives her, og ligesom DRAM er det en ustabil hukommelse. SRAM-celler er udsat for korruption ved stråling, og både DRAM og SRAM giver høj udholdenhed.

EEPROM er en ikke-flygtig hukommelse, der bruger en eksternt anvendt spænding til at slette dataene. EEPROM'er er langsomme, har en begrænset udholdenhed - typisk op til en million cyklusser - og er relativt strømhungrige. EEPROM er i øjeblikket den mindst anvendte af de hukommelsesteknologier, der er beskrevet her.

Flash er en variation af EEPROM med betydeligt mere lagerkapacitet og med hurtigere læse / skrivehastigheder, men det er stadig relativt langsomt. Flash er billigt, og data overlever slukningsforhold i op til 10 år. Flash er dog mere kompleks at bruge i forhold til andre hukommelsestyper. Data skal læses i blokke og kan ikke læses byte for byte. Inden cellerne omskrives, skal de også slettes. Sletning skal udføres blok for blok, ikke af individuelle bytes.

MRAM er på sin side en ægte hukommelse med tilfældig adgang; tillader både læsning og skrivning at forekomme tilfældigt i hukommelsen. MRAM har også nul lækage i standby og kombinerer evnen til at udholde 10¹⁶ skrivecyklusser med en datalagringskapacitet på mere end 20 år ved 85 ° C. Det tilbydes i øjeblikket i densitet fra 4 megabit (Mbits) til 16 Mbits.

MRAM-teknologi er analog med flash-teknologi med SRAM-kompatibel læse / skrive-timings (MRAM kaldes undertiden vedvarende SRAM (P-SRAM)). På grund af dets egenskaber er MRAM særligt velegnet til applikationer, der skal gemme og hente data med minimal latenstid. Det kombinerer denne lave latenstid med lav effekt, uendelig udholdenhed, skalerbarhed og ikke-volatilitet. MRAMs iboende immunitet over for alfapartikler gør den også velegnet til enheder, der regelmæssigt udsættes for stråling.

Figur 1: MRAM er ikke-flygtig som flash og EEPROM og har SRAM-kompatible læse- / skrivetider. (Billedkilde: Renesas Electronics)

Sådan fungerer MRAM

Som navnet antyder, lagres data i MRAM af magnetiske lagringselementer. Elementerne er dannet af to ferromagnetiske plader, som hver kan rumme en magnetisering, adskilt af et tyndt isolerende lag. Denne struktur kaldes et magnetisk tunnelkryds (MTJ). En af de to plader er en permanent magnet indstillet til en bestemt polaritet under fremstillingen; den anden plades magnetisering kan ændres for at gemme data. Renesas Electronics tilføjede senest MRAM-enheder, der bruger et proprietært drejningsmoment MRAM (STT-MRAM), der er baseret på en vinkelret magnetisk tunnelkryds (p-MTJ). P-MTJ inkluderer et fast og uforanderligt magnetisk lag, et dielektrisk barriererlag og et udskifteligt ferromagnetisk lag (figur 2).

Figur 2: Grundcellen til STT-MRAM består af en MTJ og en adgangstransistor. (Billedkilde: Lavine-teknologi)

Under en programmeringsoperation skiftes magnetisk orientering af lagringslaget elektrisk fra en parallel tilstand (lav modstandstilstand "0") til en antiparallel tilstand (høj modstandstilstand "1") eller omvendt, afhængigt af den aktuelle retning gennem p-MTJ-elementet. Disse to forskellige modstandstilstande bruges til datalagring og sensing.

MRAM-tilfælde

Datalogning, minder i IoT-noder, maskinindlæring / kunstig intelligens i edge computing-enheder og RFID-tags på hospitaler er eksempler på MRAM-brugssager.

Dataloggere kræver flere megabit ikke-flygtig hukommelse for at imødekomme langsigtet akkumulering af data. De er typisk batteridrevne, men kan også stole på energihøstning for strøm og kræver derfor hukommelse med lav effekt. I tilfælde af strømsvigt skal de loggede data opbevares på ubestemt tid. MRAM opfylder præstationskravene til dataloggere.

MRAM-vedholdenhed kombineret med en ekstremt lav energitilstand muliggør en samlet hukommelsesløsning til kode og data i IoT-noder, der fungerer fra energihøstere eller batterikilder i ekstremt små formfaktorer (figur 3). Starttid er ofte en vigtig overvejelse i IoT-noder. Implementering af en kode-in-place struktur ved hjælp af MRAM kan reducere den tid, der kræves for at starte op, såvel som den samlede regning for materialepriser, da der er mindre behov for DRAM eller SRAM.

Figur 3: MRAMs hastigheds-, udholdenheds- og datalagringsfunktioner hjælper det med at opfylde hukommelseskravene i IoT-noder. (Billedkilde: Lavine-teknologi)

Den vedholdenhed, der tilbydes af MRAM, muliggør også en ny generation af IoT-noder, der er i stand til maskinlæring, hvor inferensalgoritmerne ikke behøver at blive genindlæst hver gang efter vækning af enheden. Den lokale behandling inkluderer analyse af sensordata, beslutningstagning og i nogle tilfælde endda omkonfigurering af noden. Denne lokaliserede intelligens kræver vedvarende hukommelse med lav effekt. Disse enheder kan implementere lokal grov slutning i realtid og kan bruge skyen til forbedret analyse.

MRAM-hastigheden er fordelagtig til implementering af maskinindlæring i edge-enheder såsom ERP-systemer (enterprise resource planning), MES (Manufacturing Execution Systems) og SCADA-systemer (Supervisory Control and Data Acquisition). I disse systemer analyseres data og mellemliggende mønstre identificeres og deles med tilstødende domæner. Kantarkitekturen kræver hastighed på behandling og vedvarende hukommelse.

Designere kan også anvende MRAM i sundhedsudstyr, hvor radiofrekvensidentifikation (RFID) kan være gavnlig. Dets lave strømforbrug kombineret med dets immunitet over for stråling gør det velegnet til hospitalsmiljøer. RFID-tags på hospitaler bruges af forskellige årsager, herunder lagerstyring, patientpleje og sikkerhed, identifikation af medicinsk udstyr og identifikation og overvågning af forbrugsvarer.

Højtydende seriel MRAM-hukommelse

Designere af kantcomputersystemer, herunder industriel kontrol og automatisering, medicinsk udstyr, wearables, netværkssystemer, storage / RAID, bilindustrien og robotteknologi kan bruge Renesas 'M30082040054X0IWAY (Figur 4). Den fås i densiteter fra 4 Mbits til 16 Mbits. Renesas's MRAM-teknologi er analog med flash-teknologi med SRAM-kompatible læse- / skrivetider. Data er altid ikke-flygtige med 10¹⁶ skriv cyklusser udholdenhed og mere end 20 års tilbageholdelse ved 85 ° C.

M30082040054X0IWAY har et serielt perifert interface (SPI), hvilket eliminerer behovet for software-enhedsdrivere. SPI er en synkron seriel grænseflade, der bruger separate linjer til data og ur for at hjælpe værten og slaven i perfekt synkronisering. Uret fortæller modtageren nøjagtigt, hvornår de skal prøve eksempler på datalinjen. Dette kan enten være den stigende (lav til høj) eller faldende (høj til lav) eller begge kanter på urets signal.

Figur 4: M30082040054X0IWAY tilbyder både hardware- og softwarebaserede databeskyttelsesordninger. Hardwarebeskyttelse er gennem WP # pin. Softwarebeskyttelse styres af konfigurationsbits i statusregistret. Begge ordninger hæmmer skrivning til registre og hukommelsesarray. (Billedkilde: Renesas)

M30082040054X0IWAY understøtter eXecute-In-Place (XIP), som gør det muligt at udføre en række læse- og skriveinstruktioner uden at skulle indlæse læse- eller skrivekommandoen for hver instruktion. Således gemmer XIP-tilstand kommandokost og reducerer tilfældig læse- og skriveadgangstid.

M30082040054X0IWAY tilbyder både hardware- og softwarebaserede databeskyttelsesordninger. Hardwarebeskyttelse er gennem WP # pin. Softwarebeskyttelse styres af konfigurationsbits i statusregistret. Begge ordninger hæmmer skrivning til registre og hukommelsesarray. Den har en 256-byte augmented Storage Array, der er uafhængig af hovedhukommelsesarrayet. Den er programmerbar af brugeren og kan være skrivebeskyttet mod utilsigtet skrivning.

For yderligere at imødekomme applikationer med lav effekt har M30082040054X0IWAY to lavere strømtilstande: Deep Power Down og Dvaletilstand. Data går ikke tabt, mens enheden er i en af disse to lavtydende tilstande. Desuden opretholder enheden alle sine konfigurationer.

Enheden fås i lille fodaftryk 8-pad DFN (WSON) og 8-pin SOIC-pakker. Disse pakker er kompatible med lignende flygtige og ikke-flygtige produkter med lav effekt. Det tilbydes med industrielle (-40 ° C til 85 ° C) og industrielle plus (-40 ° C til 105 ° C) driftstemperaturområder.

Brug af MRAM

MRAM kan reducere det samlede energiforbrug markant sammenlignet med andre hukommelsesteknologier. Men mængden af energibesparelser kan variere afhængigt af brugen af det specifikke applikationsdesign. Ligesom andre ikke-flygtige minder er skrivestrømmen meget højere end læse- eller standbystrømmen. Som et resultat skal skrivetider minimeres i strømkritiske applikationer, især i design, der kræver hyppige skrivninger til hukommelsen. MRAMs kortere skrivetid kan mindske denne overvejelse og reducere energiforbruget sammenlignet med andre ikke-flygtige hukommelsesvalg, såsom EEPROM eller flash.

Yderligere energibesparelser er mulige med MRAM ved hjælp af en strømstyringssystemarkitektur og placerer hukommelsen i standby så ofte som muligt. MRAMs hurtigere strøm til skrivetid gør det muligt at sætte MRAM i standby oftere end andre ikke-flygtige minder. MRAMs nul lækage i standby er også en hjælp her. Bemærk, at en større afkoblingskondensator ofte er nødvendig for at understøtte strømforsyning til energibehov, når der anvendes strømgater.

MRAM eval board

For at hjælpe designere med at komme i gang med M30082040054X0IWAY tilbyder RenesasM3016-EVK evalueringskit. Dette indeholder 16-Mbit MRAM og giver brugerne mulighed for at udvikle interaktive hardwareløsninger ved hjælp af det populære Arduino-kort (figur 5). Plug-n-play-kittet har et Arduino-værtskort og terminalemulator-software, der kommunikerer med pc-computerens USB-interface. Evalueringskortet monteres oven på Arduino UNO-værtsstyret via UNO R3-overskrifter. Testprogrammerne giver brugerne mulighed for hurtigt at evaluere MRAM-enhedens funktionalitet.

Figur 5: Evalueringssættet M3016-EVK monteres oven på et Arduino UNO-værtskort for at understøtte hurtig evaluering af MRAM-ydeevne. (Billedkilde: Renesas)

Konklusion

Design af edge-computerenheder ved hjælp af konventionelle hukommelsesteknologier som DRAM, SRAM, flash og EEPROM kræver en række afvejninger, der kan begrænse ydeevnen. Til edge computing kan designere se på nyligt introducerede MRAM'er, der tilbyder ægte tilfældig adgang, så både læsning og skrivning kan forekomme tilfældigt i hukommelsen.

Som vist understøtter MRAM hukommelsesbehovene hos edge computing-designere, herunder: en enhed, der skal gemme og hente data uden at pådrage sig store latenstider; lavt strømforbrug på grund af nul lækage i standby og evnen til at udholde 10¹⁶ skrivecyklusser med en datalagringskapacitet på mere end 20 år ved 85 ° C.

Anbefalet læsning

1. Intelligente sikkerhedssystemer ved hjælp af Edge Computing