Jak využít paměť MRAM ke zlepšení spolehlivosti, nižší latenci a snížení spotřeby energie v edge computingu

Využívání edge computingu se v aplikacích, jako je průmyslový internet věcí (IIoT), robotika, zdravotnická zařízení, nositelná elektronika, umělá inteligence, automobilový průmysl a přenosná provedení, neustále rozšiřuje. Spolu s tímto růstem roste také poptávka po vysokorychlostních energeticky nezávislých pamětech s nízkou latencí, spotřebou energie i nízkou cenou, které by sloužily jako úložiště programů nebo k zálohování dat. Přestože je k dispozici mnoho možností, včetně statických pamětí s náhodným přístupem (SRAM), dynamických pamětí RAM (DRAM), pamětí flash a elektricky mazatelných programovatelných pamětí pouze ke čtení (EEPROM), každá z těchto široce používaných technologií má kromě výhod i své nevýhody v jedné či více oblastech, díky kterým nejsou pro edge computing zcela ideální.

Namísto nich se návrháři mohou poohlédnout po magnetorezistivních pamětech s náhodným přístupem (MRAM). Paměti MRAM, jak již napovídá jejich název, ukládají data do buněk magnetického úložiště a nabízejí skutečný náhodný přístup, čímž je v paměti umožněno náhodné čtení i zápis. Jejich struktura a fungování jsou takové, že se vyznačují nízkou latencí, nízkou ztrátou dat, vysokým počtem cyklů zápisu a vysokou retencí. Všechny tyto vlastnosti jsou v edge computingu vysoce žádané.

V tomto článku jsou stručně porovnány výkonové vlastnosti běžných paměťových technologií, včetně pamětí EEPROM, SRAM a flash v porovnání s pamětmi MRAM. Poté se v článku zaměříme na výhody využití pamětí MRAM v několika aplikacích edge computingu. Dále představíme konkrétní paměti MRAM od společnosti Renesas Electronics, uvedeme několik tipů k jejich používání a představíme i vyhodnocovací platformu, která návrhářům pomůže začít se svým navrhováním.

Porovnání paměťových technologií

Návrháři aplikací edge computingu mohou vybírat z několika paměťových technologií. Každá z nich přitom nabízí různé možnosti výkonu a různé výhody a nevýhody (obrázek 1). Paměť DRAM se nejčastěji využívá jako pracovní paměť pro různé typy procesorů během spouštění softwaru. Je levná, relativně pomalá (ve srovnání s pamětí SRAM), spotřebovává značné množství energie a data uchovává jen po dobu svého napájení. Paměťové buňky DRAM se navíc mohou poškodit zářením.

Paměť SRAM je rychlejší a dražší než DRAM. Často se využívá jako mezipaměť pro procesory, zatímco paměť DRAM slouží jako hlavní paměť. Ze všech výše uvedených pamětí jde o paměť s nejvyšší spotřebou energie. A stejně jako DRAM je i SRAM pamětí závislou na napájení. Buňky SRAM se mohou poškodit zářením. A jak paměti DRAM, tak SRAM nabízejí vysokou životnost.

EEPROM je energeticky nezávislá paměť, která k mazání dat používá externě použité napětí. Paměti EEPROM jsou pomalé, mají omezenou životnost (obvykle až jeden milion cyklů) a jsou relativně náročné na energii. Z výše popsaných paměťových technologií jsou paměti EEPROM nyní tou nejméně využívanou.

Paměť flash je podobná paměti EEPROM, ale nabízí výrazně vyšší úložnou kapacitu a vyšší rychlosti čtení/zápisu. Přesto je ale stále relativně pomalá. Paměť flash je levná a bez napájení v ní data zůstanou zachována až po dobu 10 let. Používání paměti flash je však relativně složitější než u ostatních typů pamětí. Data musí být čtena v blocích, nelze je číst bajt po bajtu. Před přepsáním musí být buňky také vymazány. Mazání se musí provádět po blocích, nikoli po jednotlivých bajtech.

Díky svým součástkám je MRAM pamětí s opravdu náhodným přístupem umožňující náhodné provádění čtení i zápisů. V pohotovostním režimu má paměť MRAM také nulovou ztrátu. Umožňuje 10¹⁶ cyklů zápisu a při 85 °C dokáže uchovat data po dobu více než 20 let. V současnosti je k dispozici ve velikostech od 4 Mbit po 16 Mbit.

Technologie MRAM je analogická k technologii flash, ale časováním čtení a zápisu se podobá paměti SRAM (paměť MRAM se někdy označuje jako perzistentní SRAM (P-SRAM)). Díky svým vlastnostem je paměť MRAM vhodná zejména v aplikacích, ve kterých je nutné data uchovávat a načítat s minimální latencí. Tato nízká latence se zároveň pojí s nízkou spotřebou energie, nekonečnou životností, škálovatelností a energetickou nezávislostí. Paměti MRAM jsou imunní vůči částicím alfa a díky této vlastnosti jsou vhodné pro zařízení, která jsou pravidelně vystavována radiaci.

Obrázek 1: Paměť MRAM je energeticky nezávislá podobně jako paměť flash a EEPROM a má podobné časování čtení/zápisu jako paměť SRAM. (Zdroj obrázku: Renesas Electronics)

Jak paměť MRAM funguje

Jak již napovídá samotný název, data se v paměti MRAM ukládají do magnetických úložných prvků. Prvky jsou tvořeny dvěma feromagnetickými deskami, z nichž každá může zachovávat magnetizaci a je oddělena slabou izolační vrstvou. Tato struktura se nazývá magnetický tunelový přechod (MTJ). Jednou z těchto dvou desek je permanentní magnet nastavený z výroby na konkrétní polaritu. Magnetizaci druhé desky lze změnit k ukládání dat. Společnost Renesas Electronics nedávno představila paměti MRAM, které využívají patentovaný točivý moment MRAM (STT-MRAM) založený na kolmém magnetickém tunelovém přechodu (p-MTJ). Přechod p-MTJ obsahuje pevnou a neměnnou magnetickou vrstvu, vrstvu dielektrické bariéry a vyměnitelnou vrstvu feromagnetického úložiště (obrázek 2).

Obrázek 2: Základní buňka STT-MRAM sestává z jednoho přechodu MTJ a jednoho přístupového tranzistoru. (Zdroj obrázku: Avalanche Technology)

Během programovací operace se v závislosti na směru proudu přes prvek p-MTJ elektricky přepíná magnetická orientace úložné vrstvy z paralelního stavu (stavu s nízkým odporem „0“) do antiparalelního stavu (stavu s vysokým odporem „1“) a naopak. Tyto dva stavy s odlišnými odpory se používají k ukládání a snímání dat.

Využití paměti MRAM

Mezi příklady využití paměti patří zaznamenávání dat, paměti v uzlech IoT, aplikace strojového učení nebo umělé inteligence v zařízeních edge computingu a čipy RFID v nemocnicích.

Dataloggery vyžadují k dlouhodobému uložení dat několik megabitů energeticky nezávislé paměti. Obvykle jsou napájeny bateriemi, ale mohou se spoléhat také na získávání energie – energy harvesting. Jejich baterie proto musí spotřebovávat jen velmi málo energie. V případě ztráty napájení musí dojít k časově neomezenému uložení zaznamenávaných dat. A paměť MRAM požadavky dataloggerů splňuje.

Stálost paměti MRAM umožňuje v kombinaci s režimem extrémně nízké spotřeby energie jednotné paměťové řešení pro kód i data v uzlech IoT, které jsou v provozu díky modulům získávání energie nebo na extrémně malé bateriové zdroje (obrázek 3). V uzlech IoT je často nutné zvažovat čas spouštění. Implementování struktury s kódem přímo v místě s využitím paměti MRAM může snížit dobu vyžadovanou ke spuštění stejně jako celkové náklady za materiály, protože je úspornější než paměť DRAM nebo SRAM.

Obrázek 3: Rychlost, životnost a uchovávání dat paměti MRAM pomáhají splnit požadavky na paměť v uzlech IoT. (Zdroj obrázku: Avalanche Technology)

Stálost, kterou paměti MRAM nabízejí, umožňuje také novou generaci uzlů IoT schopných strojového učení, kde se příslušné algoritmy nemusejí po každém probuzení zařízení znovu načítat. Místní zpracovávání zahrnuje analýzu dat senzoru, rozhodování a v některých případech i rekonfiguraci uzlu. Tato lokalizovaná inteligence vyžaduje trvalou paměť s nízkou spotřebou energie. Tato zařízení mohou zahrnovat lokální hrubou analýzu v reálném čase a k přesnější analýze mohou využívat cloud.

Rychlost paměti MRAM se ocení při implementaci strojového učení v zařízení edge computingu, jako jsou systémy plánování podnikových zdrojů (ERP), výrobní informační systémy (MES) a systémy dohledové kontroly a získávání dat (SCADA). V těchto systémech se analyzují data, identifikují přechodné vzorce a sdílejí se se sousedními doménami. Architektura edge vyžaduje rychlost zpracování a stálost paměti.

Návrháři mohou paměti MRAM využít také ve zdravotnických zařízeních, kde se často používá technologie radiofrekvenční identifikace (RFID). Díky své nízké spotřebě energie v kombinaci s odolností vůči záření jsou paměti vhodné pro nemocniční prostředí. Čipy RFID se v nemocnicích používají k různým účelům, například ke správě majetku, péči o pacienty a k zajištění jejich bezpečnosti, k identifikaci lékařského vybavení a k identifikaci a monitorování spotřebních materiálů.

Vysoce výkonná sériová paměť MRAM

Návrháři systémů edge computingu, včetně průmyslové automatizace a regulace, lékařských zařízení, nositelné elektroniky, síťových systémů, úložišť / polí RAID, systémů v automobilovém průmyslu a robotice, mohou využít produkt M30082040054X0IWAY společnosti Renesas (obrázek 4). K dispozici je ve velikosti od 4 Mbit po 16 Mbit. Technologie paměti MRAM společnosti Renesas je analogická k technologii flash a časováním čtení a zápisu se podobá paměti SRAM. Data jsou vždy energeticky nezávislá s až 10¹⁶ cykly zápisu. Při teplotě 85 °C lze uchovat data po dobu více než 20 let.

Paměť M30082040054X0IWAY má sériové rozhraní SPI („Serial Peripheral Interface“), které eliminuje potřebu softwarových ovladačů produktu. SPI je synchronní sériové rozhraní, které využívá samostatné linky pro data a hodinový signál, což napomáhá k perfektní synchronizaci hostitele a podřízeného zařízení. Hodiny přesně určují přijímači, kdy přesně na datové lince vzorkovat bity. Může se jednat o vzestupnou (od nízké po vysokou), sestupnou (od vysoké po nízkou) hranu hodinového signálu nebo o obě hrany.

Obrázek 4: Paměť M30082040054X0IWAY společnosti Renesas nabízí jak hardwarové, tak softwarové schéma ochrany dat. Hardwarová ochrana se uskutečňuje prostřednictvím pinu WP#. Softwarová ochrana je řízena konfiguračními bity ve stavovém registru. Obě schémata zakazují zápis do registrů a paměťového pole. (Zdroj obrázku: Renesas)

Paměť M30082040054X0IWAY podporuje funkci eXecute-In-Place (XIP), která umožňuje provedení řady instrukcí čtení a zápisu, aniž by bylo nutné načítat příkazy čtení nebo zápisu pro každý pokyn jednotlivě. Režim XIP tak šetří množství příkazů a snižuje přístupovou dobu náhodného čtení a zápisu.

Paměť M30082040054X0IWAY společnosti Renesas nabízí jak hardwarové, tak softwarové schéma ochrany dat. Hardwarová ochrana se uskutečňuje prostřednictvím pinu WP#. Softwarová ochrana je řízena konfiguračními bity ve stavovém registru. Obě schémata zakazují zápis do registrů a paměťového pole. Paměť má 256bajtové rozšířené pole úložiště, které je nezávislé na poli hlavní paměti. Pole může programovat uživatel a lze jej chránit proti zápisu (kvůli neúmyslnému zápisu).

Pro aplikace s nízkou spotřebou energie má paměť M30082040054X0IWAY dva stavy nižší spotřeby: hluboké vypnutí a hibernaci. Ani v jednom z těchto dvou režimů nízké spotřeby energie nedochází ke ztrátě dat. Zařízení si navíc zachová svou veškerou konfiguraci.

Paměť je k dispozici v malém provedení 8-pad DFN (WSON) a 8-pin SOIC. Tato provedení jsou kompatibilní s podobnými energeticky závislými i nezávislými produkty. Nabízí se v rozsazích provozní teploty pro průmysl (−40 °C až 85 °C) a průmysl plus (−40 °C až 105 °C).

Používání paměti MRAM

Paměť MRAM může v porovnání s jinými paměťovými technologiemi výrazně snížit celkovou spotřebu energie. Množství ušetřené energie se však může lišit v závislosti na vzorcích používání v konkrétních aplikacích. Stejně jako u jiných energeticky nezávislých pamětí je proud při zápisu mnohem vyšší než proud při čtení nebo v pohotovostním stavu. V aplikacích se silným důrazem na spotřebu energie je proto třeba minimalizovat doby zápisu, zejména při použitích, která vyžadují časté zápisy do paměti. Kratší doby zápisu, které nabízí paměť MRAM, mohou tyto obavy zmírnit a v porovnání s jinými možnostmi energeticky nezávislých pamětí, jako je EEPROM nebo flash, snížit spotřebu energie.

Dalších úspor energie je s pamětí MRAM možné dosáhnout pomocí architektury odpojení komponent od napájení („power gating“) a co nejčastějšího přecházení paměti do pohotovostního režimu. Díky kratší době od spuštění paměti MRAM do zápisu lze paměť uvádět do pohotovostního režimu častěji než jiné energeticky nezávislé paměti. Výhodou je také nulová ztráta dat paměti MRAM v pohotovostním režimu. Je-li využíván systém odpojení komponent od napájení, musí být často jako podpora energie ke spouštění použit větší kondenzátor s odpojovačem.

Vyhodnocovací deska k paměti MRAM

Společnost Renesas nabízí jako pomoc návrhářům k seznámení s pamětí M30082040054X0IWAY vyhodnocovací soupravu M3016-EVK. Souprava obsahuje 16Mbitovou paměť MRAM a uživatelům umožňuje vyvíjet interaktivní hardwarová řešení pomocí oblíbené desky Arduino (obrázek 5). Souprava plug-n-play je vybavena hostitelskou deskou Arduino a softwarem terminálového emulátoru, které komunikuje s rozhraním USB počítače. Vyhodnocovací deska se připojuje na horní část hostitelské desky Arduino UNO pomocí hlaviček UNO R3. Dodané testovací programy umožňují uživatelům rychle vyhodnotit funkce paměti MRAM.

Obrázek 5: Vyhodnocovací souprava M3016-EVK se připevňuje na horní část hostitelské desky Arduino UNO a slouží k rychlému vyhodnocení výkonu paměti MRAM. (Zdroj obrázku: Renesas)

Závěr

Používání konvenčních paměťových technologií, jako je DRAM, SRAM, flash a EEPROM při navrhování zařízení edge computingu přináší řadu nevýhod, které omezují jejich výkon. Návrháři se při edge computingu mohou poohlédnout po nedávno představených pamětech MRAM, které nabízejí skutečně náhodný přístup a umožňují náhodné čtení a zápis v paměti.

Jak je uvedeno, paměť MRAM splňuje požadavky návrhářů edge computingu na paměť, včetně následujících: paměť musí ukládat a načítat data bez větších latencí, paměť má v pohotovostním režimu nízkou spotřebu energie a nulovou ztrátu dat, je schopná vydržet 10¹⁶ cyklů zápisu a zachovat přitom při teplotě 85 °C data po dobu více než 20 let.

Doporučeno k přečtení:

1. Inteligentní zabezpečovací systémy s využitím edge-computingu