Slik bruker du MRAM til å forbedre påliteligheten, redusere latenstid (forsinkelse) og redusere strøm for edge computing

Bruken av edge computing vokser på tvers av applikasjoner som designes for industrielle tingenes internett (IIoT), robotikk, medisinsk utstyr, bærbare enheter, kunstig intelligens, bilindustri og bærbar. Sammen med denne veksten er behovet for hurtigminne med lav latenstid, ikke-flyktig minne med lavt energiforbruk og lav kostnad for bruk som programlagring og sikkerhetskopiering av data. Selv om det er mange tilgjengelige alternativer, inkludert statisk tilfeldig tilgangsminne (SRAM), dynamisk RAM-minne (DRAM), flash-minne og programmerbart skrivebeskyttet minne som kan slettes elektronisk (EEPROM), krever hver av disse utbredte teknologiene kompromisser på ett eller flere områder som gjør dem mindre enn ideelle for edge computing.

I stedet kan designere se på magnetoresistive tilfeldige tilgangsminner (MRAMer). MRAM-enheter lagrer, som navnet antyder, data i magnetiske lagringselementer og gir sann tilfeldig tilgang, slik at både lesing og skriving kan skje tilfeldig i minnet. Deres struktur og drift er slik at de har lav latenstid, lav lekkasje, høyt skrivesyklustall og høy lagring, som alle er svært ønskelige for edge computing.

Denne artikkelen sammenligner kort ytelsesmulighetene til vanlige minneteknologier, inkludert EEPROM, SRAM og flash med MRAM. Den vil deretter gjennomgå fordelene ved å bruke MRAM i flere edge computing-applikasjoner, og deretter introdusere spesifikke MRAM-enheter fra Renesas Electronics, noen MRAM-brukstips og en evalueringsplattform for å hjelpe designerne i gang med designet.

Minneteknologisammenligning

Designere av edge computing-applikasjoner har flere minneteknologier å velge mellom, som hver tilbyr varierende ytelsesmuligheter og kompromisser (figur 1). DRAM gir oftest arbeidsminnet for ulike typer prosessorer under programvarekjøring. Den er billig, relativt treg (sammenlignet med SRAM), forbruker betydelige mengder strøm og beholder data bare så lenge det er strømforsyning. I tillegg utsettes DRAM-minneceller for korrupsjon ved stråling.

SRAM er raskere og dyrere enn DRAM. Det brukes ofte som hurtigbufferminne for prosessorer, mens DRAM leverer hovedminnet. Det er den mest makthungrige av minnene som beskrives her, og i likhet med DRAM er det et flyktig minne. SRAM-celler utsettes for korrupsjon ved stråling, og både DRAM og SRAM gir høy utholdenhet.

EEPROM er et ikke-flyktig minne som bruker en eksternt påført spenning til å slette dataene. EEPROM-ene er langsomme, har en begrenset utholdenhet – typisk opptil en million sykluser – og er relativt strømhungrige. EEPROM er for tiden den minst brukte av minneteknologiene som beskrives her.

Flash er en variant av EEPROM, med vesentlig større lagringskapasitet og med raskere lese-/skrivehastigheter, men det er fortsatt relativt langsomt. Flash er billig, og data overlever avstengningsforhold i opptil 10 år. Blitz er imidlertid mer kompleks å bruke i forhold til andre minnetyper. Data må leses i blokker og kan ikke leses byte for byte. Før cellene skrives om, må de også slettes. Sletting må utføres blokk for blokk, ikke av individuelle byte.

MRAM er for sin del et sann tilfeldig tilgangsminne, slik at både lesing og skriving kan skje tilfeldig i minnet. MRAM har også null lekkasje når du er i ventemodus, og kombinerer evnen til å tåle 10¹⁶ skrivesykluser med en datalagringskapasitet på mer enn 20 år ved 85 °C. Det tilbys for øyeblikket i tetthet fra 4 megabit (Mbit) til 16 Mbit.

MRAM-teknologi er analog med flash-teknologi med SRAM-kompatible lese-/skrivetider (MRAM kalles noen ganger vedvarende SRAM (P-SRAM)). På grunn av egenskapene er MRAM spesielt egnet for applikasjoner som må lagre og hente data med minimal ventetid. Den kombinerer denne lave latenstiden med lavt energiforbruk, uendelig utholdenhet, skalerbarhet og ikke-volatilitet. MRAMs iboende immunitet mot alfapartikler gjør den også egnet for enheter som regelmessig utsettes for stråling.

Figur 1: MRAM er ikke-flyktige som flash og EEPROM og har SRAM-kompatible lese-/skrivetider. (Bildekilde: Renesas Electronics)

Slik fungerer MRAM

Som navnet antyder, lagres data i MRAM av magnetiske lagringselementer. Elementene er dannet av to ferromagnetiske plater, som hver kan holde en magnetisering, adskilt av et tynt isolerende lag. Denne konstruksjonen kalles et magnetisk tunnelknutepunkt (magnetic tunnel junction – MTJ). Den ene av de to platene er en permanent magnet satt til en spesifikk polaritet under produksjon; den andre platens magnetisering kan endres for å lagre data. Renesas Electronics har nylig lagt til MRAM-enheter som bruker et proprietært (brukerspesifikt) «spin transfer»-moment (STT-MRAM) som er basert på en vinkelrett magnetisk tunnelovergang (p-MTJ). P-MTJ omfatter et fast og uforanderlig magnetisk lag, et dielektrisk barrierelag og et utskiftbart ferromagnetisk lagringslag (figur 2).

Figur 2: Grunncellen for STT-MRAM består av én MTJ og én tilgangstransistor. (Bildekilde: Avalanche Technology)

Under en programmeringsoperasjon skiftes den magnetiske orienteringen av lagringslaget elektrisk fra en parallell tilstand (lav motstandstilstand «0») til en antiparallell tilstand (høy motstandstilstand «1»), eller omvendt, avhengig av strømretningen gjennom p-MTJ-elementet. Disse to distinkte motstandstilstandene brukes til datalagring og føling.

MRAM-bruksområder

Datalogging, minner i IoT-noder, maskinlæring/kunstig intelligens i edge computing-enheter og RFID-tagger på sykehus er eksempler på MRAM-bruksområder.

Dataloggere krever flere megabit ikke-flyktig minne for å imøtekomme langtidsakkumulering av data. De er vanligvis batteridrevne, men kan også være avhengige av energiinnhøsting for å få strøm, og krever derfor strømminne med lavt energiforbruk. I tilfelle strømbrudd må de loggede dataene beholdes på ubestemt tid. MRAM oppfyller ytelseskravene til dataloggere.

MRAM-persistens (vedvarenhet), kombinert med en ekstremt lav energimodus, muliggjør en enhetlig minneløsning for kode og data i IoT-noder som drives fra energihøstere eller batterikilder i ekstremt små formfaktorer (figur 3). Oppstartstid er ofte et viktig hensyn i IoT-noder. Å implementere en kode-in-place-struktur ved hjelp av MRAM kan redusere tiden som kreves for å starte opp, så vel som den samlede materialkostnaden siden det er mindre behov for DRAM eller SRAM.

Figur 3: MRAMs muligheter for hastighet, utholdenhet og datalagring hjelper det med å oppfylle minnekravene til IoT-noder. (Bildekilde: Avalanche Technology)

Persistensen (vedvarenheten) som tilbys av MRAM muliggjør også en ny generasjon av IoT-noder som er i stand til maskinlæring, der inferensalgoritmene ikke trenger å lastes inn på nytt hver gang etter at enheten våkner. Den lokale prosesseringen inkluderer å analysere sensordata, ta beslutninger, og i noen tilfeller til og med rekonfigurere noden. Denne lokaliserte intelligensen krever vedvarende minne med lavt energiforbruk. Disse enhetene kan implementere lokal grov inferens i sanntid og kan bruke skyen til forbedret analyse.

Hastigheten til MRAM er gunstig for å implementere maskinlæring i edge-enheter som ERP-systemer (enterprise resource planning), MES-systemer (manufacturing execution systems) og SCADA-systemer (supervision control and data acquisition). I disse systemene analyseres data og mellomliggende mønstre identifiseres og deles med tilstøtende domener. Edge-arkitekturen krever prosesseringshastighet og vedvarende minne.

Designere kan også anvende MRAM i helseutstyr der radiofrekvensidentifikasjon (RFID) kan være nyttig. Det lave strømforbruket, kombinert med immuniteten mot stråling, gjør det egnet for sykehusmiljøer. RFID-tagger på sykehus brukes av en rekke grunner, inkludert lagerstyring, pasientbehandling og -sikkerhet, identifikasjon av medisinsk utstyr og identifikasjon og overvåking av forbruksvarer.

Høy ytelse serielt MRAM-minne

Designere av edge computing-systemer, inkludert industrielle kontroller og automatisering, medisinsk utstyr, bærbare enheter, nettverkssystemer, lagring/RAID, bilindustri og robotikk, kan bruke Renesas sin M30082040054X0IWAY (figur 4). Den er tilgjengelig i lagringsstørrelser fra 4 Mbit 16 Mbit. Renesas MRAM-teknologi er analog med flash-teknologi med SRAM-kompatible lese-/skrivetider. Data er alltid ikke-flyktige med 10¹⁶ skrivesykluser utholdenhet og mer enn 20 års oppbevaring ved 85 °C.

M30082040054X0IWAY har et serielt perifergrensesnitt (SPI), noe som eliminerer behovet for programvareenhetsdrivere. SPI er et synkront serielt grensesnitt som bruker separate linjer for data og klokke for å holde verten og slaven i perfekt synkronisering. Klokken forteller mottakeren nøyaktig når bits på datalinjen skal prøves. Dette kan være enten stigende (lav til høy) eller fallende (høy til lav) eller begge kanter av klokkesignalet.

Figur 4: M30082040054X0IWAY tilbyr både maskinvare- og programvarebaserte databeskyttelsesordninger. Maskinvarebeskyttelse skjer gjennom WP#-pinnen. Programvarebeskyttelse styres av konfigurasjonsbits i statusregisteret. Begge skjemaene hemmer skriving til registrene og minnematrisen. (Bildekilde: Renesas)

M30082040054X0IWAY støtter eXecute-In-Place (XIP) som gjør det mulig å fullføre en serie lese- og skriveinstruksjoner uten å måtte laste inn lese- eller skrivekommandoen individuelt for hver instruksjon. Dermed sparer XIP-modus kommandooverhead og reduserer tilfeldig lese- og skrivetilgangstid.

M30082040054X0IWAY tilbyr både maskinvare- og programvarebaserte databeskyttelsesordninger. Maskinvarebeskyttelse skjer gjennom WP#-pinnen. Programvarebeskyttelse styres av konfigurasjonsbits i statusregisteret. Begge skjemaene hemmer skriving til registrene og minnematrisen. Den har en 256-byte utvidet lagringsmatrise som er uavhengig av hovedminnematrisen. Den er brukerprogrammerbar og kan skrivebeskyttes mot utilsiktet skriving.

M30082040054X0IWAY har to tilstander for lavt energiforbruk for å ta ytterligere hensyn til laveffektutrustninger: Deep Power Down og Hibernate. Data går ikke tapt mens enheten er i noen av disse to tilstandene for lavt energiforbruk. Dessuten opprettholder enheten alle konfigurasjonene.

Enheten er tilgjengelig i en 8-platers DFN (WSON) og 8-pinners SOIC-kapslinger med liten størrelse på monteringsflaten. Disse kapslingene er kompatible med lignende flyktige og ikke-flyktige produkter med lavt energiforbruk. Det tilbys med driftstemperaturområder for industri (-40 °C til 85 °C), samt industri pluss (-40 °C til 105 °C).

Bruk av MRAM

MRAM kan redusere det totale energiforbruket betydelig sammenlignet med andre minneteknologier. Men mengden energibesparelser kan variere avhengig av bruksmønstrene til den spesifikke utformingen av applikasjonen. I likhet med andre ikke-flyktige minner er skrivestrømmen mye høyere enn lese- eller standby-strømmen. Som et resultat må skrivetidene minimeres i kraftkritiske applikasjoner, spesielt i design som krever hyppige skrivinger til minnet. MRAMs kortere skrivetider kan redusere denne hensynet og redusere energiforbruket sammenlignet med andre ikke-flyktige minnevalg, for eksempel EEPROM eller flash.

Ytterligere energibesparelser er mulig med MRAM ved hjelp av en systemarkitektur med strømstyring (power gating) og stilling av minnet til standby så ofte som mulig. MRAMs raskere strøm opp til skrivetid gjør det mulig å sette MRAM i standby oftere enn andre ikke-flyktige minner. MRAMs null lekkasje når du er i ventemodus er også en hjelp her. Merk at det ofte trengs en større frakoblingskondensator for å støtte opp energibehovet når strømtilførsel brukes.

MRAM evalueringskort

For å hjelpe designerne i gang med M30082040054X0IWAY, leverer Renesas evalueringssettet M3016-EVK. Dette inneholder 16-Mbit MRAM og gjør det mulig for brukere å utvikle interaktive maskinvareløsninger ved hjelp av det populære Arduino-kortet (figur 5). Plug-n-play-settet har et Arduino-vertskort og terminalemulatorprogramvare som kommuniserer med datamaskinens USB-grensesnitt. Evalueringskortet monteres på toppen av Arduino UNO-vertskortet via UNO R3-hodene. Med de leverte testprogrammene kan brukerne raskt evaluere funksjonaliteten til MRAM-enheten.

Figur 5: M3016-EVK-evalueringssettet monteres på toppen av et Arduino UNO-vertskort for å støtte rask evaluering av MRAM-prestanda. (Bildekilde: Renesas)

Konklusjon

Å designe edge computing-enheter ved hjelp av konvensjonell minneteknologi som dram, SRAM, flash og EEPROM krever en rekke kompromisser som kan begrense ytelsen. For edge computing kan designere se til nylig innførte MRAM-er som gir sann tilfeldig tilgang, slik at både lesing og skriving kan skje tilfeldig i minnet.

Som vist støtter MRAM minnebehovene til edge computing-designere, inkludert: en enhet som må lagre og hente data uten å pådra seg store ventetider; lavt strømforbruk på grunn av null lekkasje når du er i ventemodus; og evnen til å tåle 10¹⁶ skrivesykluser med en datalagringskapasitet på mer enn 20 år ved 85 °C.

Anbefalt lesing

1. Intelligente sikkerhetssystemer som bruker Edge-Computing