Hoe MRAM te gebruiken om de betrouwbaarheid te verbeteren, latenties te verlagen en het vermogen voor edge computing te verminderen

Het gebruik van edge computing neemt toe in toepassingen zoals het industriële Internet of Things (IIoT), robotica, medische apparatuur, wearables, kunstmatige intelligentie, auto's en draagbare ontwerpen. Samen met deze groei is er behoefte aan snel, niet-vluchtig, low-power, low-cost geheugen met een lage latentie voor toepassingen als programma-opslag en gegevensback-up. Hoewel er vele opties beschikbaar zijn, waaronder statisch willekeurig toegankelijk geheugen (SRAM), dynamisch RAM (DRAM), flash en elektrisch wisbaar programmeerbaar read-only geheugen (EEPROM), moet elk van deze veelgebruikte technologieën op één of meer punten worden ingeruild, waardoor ze niet ideaal zijn voor edge computing.

In plaats daarvan kunnen ontwerpers gebruik maken van magnetoresistieve random access memories (MRAM's). MRAM-apparaten slaan, zoals de naam al aangeeft, gegevens op in magnetische opslagelementen en bieden werkelijk willekeurige toegang, waarbij zowel lezen als schrijven willekeurig in het geheugen kan plaatsvinden. Hun structuur en werking zijn zodanig dat zij een lage latentie, weinig lekkage, een hoog aantal schrijfcycli en een hoge retentie hebben, wat allemaal zeer wenselijk is voor edge computing.

Dit artikel vergelijkt in het kort de prestaties van gangbare geheugentechnologieën, waaronder EEPROM, SRAM en flash met MRAM. Daarna worden de voordelen van het gebruik van MRAM in diverse edge computing-toepassingen besproken, waarna specifieke MRAM-apparaten van Renesas Electronics worden geïntroduceerd, evenals enkele tips voor het gebruik van MRAM en een evaluatieplatform om ontwerpers op weg te helpen met hun ontwerp.

Vergelijking van geheugentechnologieën

Ontwerpers van edge computing-toepassingen kunnen kiezen uit verschillende geheugentechnologieën, die elk hun eigen prestatiemogelijkheden en afwegingen bieden (Afbeelding 1). DRAM levert meestal het werkgeheugen voor verschillende soorten processors tijdens de uitvoering van software. Het is goedkoop, relatief traag (vergeleken met SRAM), verbruikt aanzienlijke hoeveelheden stroom, en bewaart gegevens slechts zolang er stroom wordt toegevoerd. Bovendien zijn DRAM-geheugencellen onderhevig aan beschadiging door straling.

SRAM is sneller en duurder dan DRAM. Het wordt vaak gebruikt als cachegeheugen voor processors, terwijl DRAM het hoofdgeheugen levert. Het is het meest energieverslindende van de hier beschreven geheugens, en net als DRAM is het een vluchtig geheugen. SRAM-cellen zijn onderhevig aan beschadiging door straling, en zowel DRAM als SRAM hebben een hoog uithoudingsvermogen.

EEPROM is een niet-vluchtig geheugen dat gebruik maakt van een extern toegepaste spanning om de gegevens te wissen. EEPROMs zijn traag, hebben een beperkte levensduur - gewoonlijk maximaal één miljoen cycli - en zijn relatief energieverslindend. EEPROM is momenteel de minst gebruikte van de geheugentechnologieën die hier worden beschreven.

Flash is een variant van EEPROM, met aanzienlijk meer opslagcapaciteit en met hogere lees/schrijfsnelheden, maar het is nog steeds relatief traag. Flash is niet duur, en de gegevens blijven tot 10 jaar lang bewaard als de stroom uitvalt. Flash is echter complexer in het gebruik dan andere geheugentypes. Gegevens moeten in blokken worden gelezen en kunnen niet per byte worden gelezen. Ook moeten cellen worden gewist voordat ze worden herschreven. Het wissen moet blok voor blok worden uitgevoerd, niet per afzonderlijke byte.

MRAM, van zijn kant, is een echt willekeurig toegankelijk geheugen; zowel lezen als schrijven kunnen willekeurig in het geheugen plaatsvinden. MRAM vertoont ook geen lekkage in stand-by en kan10¹⁶ schrijfcycli doorstaan met een gegevensbewaringscapaciteit van meer dan 20 jaar bij 85 °C. Het wordt momenteel aangeboden in dichtheden variërend van 4 megabits (Mbits) tot 16 Mbits.

MRAM-technologie is analoog aan flash-technologie met SRAM-compatibele lees/schrijftijden (MRAM wordt soms persistent SRAM (P-SRAM) genoemd). Door zijn eigenschappen is MRAM bijzonder geschikt voor toepassingen waarbij gegevens met een minimale latentie moeten worden opgeslagen en opgehaald. Hij combineert deze lage latentie met een laag stroomverbruik, oneindig uithoudingsvermogen, schaalbaarheid en niet-volatiliteit. De inherente ongevoeligheid van MRAM voor alfadeeltjes maakt het ook geschikt voor toestellen die regelmatig aan straling worden blootgesteld.

Afbeelding 1: MRAM is niet-vluchtig zoals flash en EEPROM en heeft SRAM-compatibele lees/schrijftimings. (Bron afbeelding: Renesas Electronics)

Hoe MRAM werkt

Zoals de naam al aangeeft, worden gegevens in MRAM opgeslagen door magnetische opslagelementen. De elementen worden gevormd door twee ferromagnetische platen, die elk een magnetisatie kunnen vasthouden, gescheiden door een dunne isolerende laag. Deze structuur wordt een magnetic tunnel junction (MTJ) genoemd. Een van de twee platen is een permanente magneet die tijdens de fabricage op een specifieke polariteit is ingesteld; de magnetisatie van de andere plaat kan worden gewijzigd om gegevens op te slaan. Renesas Electronics voegde onlangs MRAM-apparaten toe die gebruik maken van een eigen spin transfer torque MRAM (STT-MRAM) dat gebaseerd is op een loodrechte magnetic tunnel junction (p-MTJ). De p-MTJ omvat een vaste en onveranderlijke magnetische laag, een diëlektrische barrièrelaag, en een veranderlijke ferromagnetische opslaglaag (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: De basiscel van STT-MRAM bestaat uit één MTJ en één toegangstransistor. (Bron afbeelding: Avalanche Technology)

Tijdens een programmeeroperatie wordt de magnetische oriëntatie van de opslaglaag elektrisch omgeschakeld van een parallelle toestand (lage weerstandstoestand "0") naar een antiparallelle toestand (hoge weerstandstoestand "1"), of omgekeerd, afhankelijk van de stroomrichting door het p-MTJ-element. Deze twee verschillende weerstanden worden gebruikt voor gegevensopslag en detectie.

MRAM gebruikssituaties

Datalogging, geheugens in IoT-knooppunten, machineleren/kunstmatige intelligentie in randapparatuur, en RFID-tags in ziekenhuizen zijn voorbeelden van toepassingen van MRAM.

Dataloggers hebben meerdere megabits niet-vluchtig geheugen nodig om gegevens op lange termijn te kunnen accumuleren. Zij worden doorgaans gevoed door batterijen, maar kunnen voor hun energie ook een beroep doen op energie-oogst, en hebben dus een geheugen met een laag stroomverbruik nodig. In geval van stroomuitval moeten de geregistreerde gegevens onbeperkt worden bewaard. MRAM voldoet aan de prestatie-eisen van dataloggers.

De persistentie van MRAM, gecombineerd met een extreem lage energiemodus, maakt een verenigde geheugenoplossing mogelijk voor code en gegevens in IoT-knooppunten die werken met energie-oogstmachines of batterijbronnen in extreem kleine vormfactoren (Afbeelding 3). Opstarttijd is vaak een belangrijke overweging bij IoT-knooppunten. Door gebruik te maken van een code-in-place structuur met MRAM kan de tijd die nodig is om op te starten, worden verkort, evenals de totale materiaallijstkosten, aangezien er minder DRAM of SRAM nodig zijn.

Afbeelding 3: Dankzij de snelheid, het uithoudingsvermogen en de gegevensretentiecapaciteit van MRAM voldoet dit product aan de geheugenvereisten van IoT-knooppunten. (Bron afbeelding: Avalanche Technology)

De persistentie die MRAM biedt, maakt ook een nieuwe generatie IoT-knooppunten mogelijk die in staat zijn tot machinaal leren, waarbij de inferentiealgoritmen niet telkens na het ontwaken van het apparaat opnieuw hoeven te worden geladen. De lokale verwerking omvat het analyseren van sensorgegevens, het nemen van beslissingen, en in sommige gevallen zelfs het herconfigureren van het knooppunt. Deze gelokaliseerde intelligentie vereist een persistent geheugen met laag stroomverbruik. Deze toestellen kunnen lokale grove inferenties in real time uitvoeren en kunnen de cloud gebruiken voor verbeterde analyse.

De snelheid van MRAM is gunstig voor de toepassing van machinaal leren in randapparatuur zoals ERP-systemen (enterprise resource planning), MES-systemen (manufacturing execution systems) en SCADA-systemen (supervisory control and data acquisition). In deze systemen worden gegevens geanalyseerd en tussenliggende patronen geïdentificeerd en gedeeld met aangrenzende domeinen. De edge-architectuur vereist snelheid van verwerking en persistent geheugen.

Ontwerpers kunnen MRAM ook toepassen in gezondheidszorgapparatuur waar radiofrequentie-identificatie (RFID) nuttig kan zijn. Het lage stroomverbruik, in combinatie met de ongevoeligheid voor straling, maken hem geschikt voor ziekenhuisomgevingen. RFID-tags worden in ziekenhuizen om diverse redenen gebruikt, onder meer voor voorraadbeheer, patiëntenzorg en -veiligheid, identificatie van medische apparatuur en identificatie en monitoring van verbruiksgoederen.

Krachtig serieel MRAM-geheugen

Ontwerpers van edge computing-systemen, waaronder industriële besturingen en automatisering, medische apparatuur, wearables, netwerksystemen, opslag/RAID, automotive en robotica, kunnen gebruikmaken van de Renesas M30082040054X0IWAY (Afbeelding 4). Hij is verkrijgbaar in densiteiten van 4 Mbits tot 16 Mbits. De MRAM-technologie van Renesas is analoog aan flash-technologie met SRAM-compatibele lees/schrijftijden. De gegevens zijn altijd niet-vluchtig met een uithoudingsvermogen van10¹⁶ schrijfcycli en een retentie van meer dan 20 jaar bij 85 °C.

De M30082040054X0IWAY heeft een seriële perifere interface (SPI), waardoor er geen software-driver nodig is. SPI is een synchrone seriële interface die gebruik maakt van afzonderlijke lijnen voor data en klok om de host en de slave in perfecte synchronisatie te houden. De klok vertelt de ontvanger precies wanneer hij de bits op de datalijn moet bemonsteren. Dit kan zowel het opgaande (laag naar hoog) als het neergaande (hoog naar laag) of beide kanten van het kloksignaal zijn.

Afbeelding 4: De M30082040054X0IWAY biedt zowel hardwarematige als softwarematige gegevensbeschermingsregelingen. Hardware beveiliging is via de WP#-pin. De softwarebeveiliging wordt geregeld door configuratiebits in het statusregister. Beide regelingen verbieden het schrijven naar de registers en de geheugenarray. (Bron afbeelding: Renesas)

De M30082040054X0IWAY ondersteunt eXecute-In-Place (XIP), waarmee een reeks lees- en schrijfinstructies kan worden voltooid zonder dat voor elke instructie afzonderlijk het lees- of schrijfcommando hoeft te worden geladen. De XIP-modus bespaart dus commando-overhead en vermindert de toegangstijd voor willekeurig lezen en schrijven.

De M30082040054X0IWAY biedt zowel hardwarematige als softwarematige gegevensbeveiliging. Hardware beveiliging is via de WP#-pin. De softwarebeveiliging wordt geregeld door configuratiebits in het statusregister. Beide regelingen verbieden het schrijven naar de registers en de geheugenarray. Het heeft een 256-byte Augmented Storage Array die onafhankelijk is van de hoofdgeheugen array. Hij is door de gebruiker programmeerbaar en kan tegen onbedoeld schrijven worden beveiligd.

Om nog meer tegemoet te komen aan toepassingen met laag stroomverbruik, heeft de M30082040054X0IWAY twee standen voor lager stroomverbruik: Deep Power Down en Hibernate. Er gaan geen gegevens verloren terwijl het apparaat zich in een van deze twee low-power states bevindt. Bovendien behoudt het toestel al zijn configuraties.

Het apparaat is verkrijgbaar in kleine 8-pad DFN (WSON) en 8-pin SOIC behuizingen. Deze pakketten zijn compatibel met soortgelijke volatiele en niet-volatiele producten met laag vermogen. Hij wordt aangeboden met industriële (-40 °C tot 85 °C) en industriële plus (-40 °C tot 105 °C) bedrijfstemperatuurbereiken.

Gebruik van MRAM

MRAM kan het totale energieverbruik aanzienlijk verminderen in vergelijking met andere geheugentechnologieën. Maar de omvang van de energiebesparing kan variëren naar gelang van de gebruikspatronen van het specifieke toepassingsontwerp. Zoals bij andere niet-vluchtige geheugens is de schrijfstroom veel hoger dan de lees- of standby-stroom. Bijgevolg moeten de schrijftijden tot een minimum worden beperkt in stroomkritische toepassingen, vooral in ontwerpen waarbij vaak naar het geheugen moet worden geschreven. De kortere schrijftijden van MRAM kunnen deze overweging verzachten en het energieverbruik verminderen in vergelijking met andere niet-vluchtige geheugenopties, zoals EEPROM of flash.

Extra energiebesparingen zijn mogelijk met MRAM die gebruik maken van een power gating systeemarchitectuur en het geheugen zo vaak mogelijk in stand-by zetten. De snellere opstart- en schrijftijd van MRAM maakt het mogelijk MRAM vaker in stand-by te zetten dan andere niet-vluchtige geheugens. De nullekkage van MRAM in stand-by is hier ook een hulp. Merk op dat een grotere ontkoppelingscondensator vaak nodig is om te voorzien in de behoefte aan energie wanneer power gating wordt toegepast.

MRAM-evalbord

Om ontwerpers op weg te helpen met de M30082040054X0IWAY, levert Renesas de M3016-EVK-evaluatiekit. Deze bevat het 16-Mbit MRAM en stelt gebruikers in staat interactieve hardwareoplossingen te ontwikkelen met behulp van het populaire Arduino-bord (Afbeelding 5). De plug-n-play kit bevat een Arduino hostbord en terminal-emulatorsoftware die communiceert met de PC-computer USB-interface. Het evaluatiebord wordt boven op het Arduino UNO-hostbord geplaatst via de UNO R3-headers. Met de meegeleverde testprogramma's kunnen gebruikers snel de functionaliteit van het MRAM-apparaat evalueren.

Afbeelding 5: De M3016-EVK-evaluatiekit wordt op een Arduino UNO-hostbord gemonteerd om snelle evaluatie van de prestaties van het MRAM mogelijk te maken. (Bron afbeelding: Renesas)

Conclusie

Het ontwerpen van edge computing-apparaten die gebruik maken van conventionele geheugentechnologieën zoals DRAM, SRAM, flash, en EEPROM vereist een aantal compromissen die de prestaties kunnen beperken. Voor edge computing kunnen ontwerpers kijken naar recent geïntroduceerde MRAM's die werkelijk willekeurige toegang bieden, waardoor zowel lezen als schrijven willekeurig in het geheugen kan plaatsvinden.

Zoals aangetoond, voldoet MRAM aan de geheugenbehoeften van ontwerpers van "edge computing", zoals: een apparaat dat gegevens moet opslaan en opvragen zonder grote wachttijden; een laag stroomverbruik doordat er geen lekkage optreedt in stand-by; en het vermogen om10¹⁶ schrijfcycli te doorstaan met een gegevensbewaringscapaciteit van meer dan 20 jaar bij 85 °C.

Aanbevolen lectuur

1. Intelligente beveiligingssystemen met behulp van edge-computing