Een F-RAM gebruiken om apparaten op batterijvoeding te bouwen met ultrazuinige lange-termijnopslag

Betrouwbare lange-termijnopslag is een steeds belangrijkere eis geworden in mobiele apparaten met batterijvoeding voor consumenten, industrie en andere segmenten. In eerdere productgeneraties werd in deze behoefte voorzien door conventionele niet-vluchtig geheugentechnologieën (non-volatile memory - NVM) zoals flashgeheugen of EEPROM (electrically erasable programmable read-only memory).

Voor de geavanceerde mobiele producten van nu willen de gebruikers batterijen die steeds langer meegaan, waardoor de opties die betrouwbare opslag kunnen leveren zonder concessies te doen aan de ontwerpprestaties of de energiebudgetten aanzienlijk worden beperkt.

In dit artikel wordt de Excelon ferroelectric random-access memory (F-RAM)-familie van Cypress Semiconductor geïntroduceerd en wordt besproken hoe deze kan worden gebruikt om tegemoet te komen aan de eisen voor betrouwbare lange-termijnopslag in apparaten met batterijvoeding.

Problemen met opslag in draagbare apparaten

In ontwerpen voor wearables, IoT-apparaten en andere draagbare producten volgt de behoefte aan een groot niet-vluchtig geheugen direct op de toegenomen vermogens van die producten. Omdat de gebruikers steeds uitgebreidere informatie willen, worden er steeds meer soorten sensors die met hogere resoluties en hogere updatesnelheden werken in deze ontwerpen geïntegreerd. Tegelijkertijd verwachten de gebruikers dat deze geraffineerde producten een uitgebreid overzicht bieden van historische gegevens en trends in plaats van een eenvoudige momentopname van lopende sensorgegevens. Het apparaat moet die gegevenscatalogus met name 'on demand' kunnen weergeven zonder actieve verbinding met de cloud, smartphone of een ander extern apparaat.

Ontwerpers die aan deze basiseisen tegemoet proberen te komen met conventionele NVM-technologieën, krijgen te maken met een aardig aantal moeilijkheden, met name in ontwerpen met een beperkt vermogen. De schrijftijden voor veel NVM-technologieën zijn inherent veel langzamer dan RAM door de uitgebreide cycli die nodig zijn om het programmeringsproces te voltooien. Conventionele EEPROM kan schrijftijden van diverse milliseconden laten zien. Zelfs bij geavanceerd flashgeheugen worden de prestaties vertraagd door de behoefte aan de extra "uitzettijd" tijdens schrijfcycli. Op hun beurt betekenen langere schrijfcycli een hoger algeheel stroomverbruik, samen met een lagere gegevensupdatesnelheid. Ten slotte hebben conventionele NVM-apparaten typisch beperkte schrijfbelastingsspecificaties. Als ze worden gebruikt met de herhaalde schrijfcycli die nodig zijn voor normale gegevensopslag, kunnen de apparaten eerder dan de verwachte levensduur van het product versleten raken.

Voor een toenemende reeks ontwerpen met batterijvoeding bieden F-RAM NVM-apparaten een eenvoudiger oplossing voor lange-termijnopslag die de vereiste combinatie levert van snelheid, belastbaarheid en een zuinige werking. Typische F-RAM-apparaten hebben schrijfbelasting en schrijfcyclustijden die vele malen beter zijn dan EEPROM en flashgeheugen, en komen zelfs in de buurt van statisch RAM (SRAM) wat snelheid betreft. F-RAM combineert de prestatievoordelen van conventioneel RAM met het niet-vluchtige opslagvermogen van andere NVM-technologieën. Binnen de F-RAM-oplossingen gaat de Excelon LP (low-power) F-RAM-serie van Cypress Semiconductor verder met zijn mogelijkheid om te voldoen aan de fundamentele eis voor een ultralaag energieverbruik in wearables met batterijvoeding en andere mobiele producten.

Ultrazuinig F-RAM

De Excelon LP F-RAM-apparaten van Cypress zijn subsystemen met geïntegreerd niet-vluchtig geheugen die een F-RAM-array, registers, controle en interface-logica combineren met een speciale sector voor het bewaren van content tot drie standaard reflow-soldeercycli (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: Excelon LP F-RAM-apparaten van Cypress Semiconductor bevatten een F-RAM-array en ondersteunende circuits om een compleet geheugen-subsysteem te bieden dat toegankelijk is via standaard SPI-poorten. (Bron afbeelding: Cypress Semiconductor)

Excelon LP F-RAM-apparaten bieden een niveau van betrouwbaarheid op de lange termijn dat veel verder gaat dan typisch EEPROM of flashgeheugen. Deze apparaten hebben een belasting van 10¹⁵ lees/schrijfcycli en gegevensbehoud van 151 jaar, meer dan de realistische levenscyclus van welk praktisch wearable- of IoT-apparaat dan ook.

De schrijfprestaties van deze apparaten verbeteren ook de algehele betrouwbaarheid van toepassingen. Omdat deze apparaten gegevens naar het niet-vluchtige F-RAM-array schrijven met bussnelheid, verminderen ze het risico van gegevensverlies enorm vergeleken met andere soorten NVM-apparaten. In die apparaten vormen de aanzienlijk langere schrijftijden en bijbehorende noodzaak om gegevens intern te bufferen, een groot kwetsbaarheidsvenster waarin gegevens verloren kunnen gaan als de stroom uitvalt voordat de schrijfsequentie is voltooid.

Anders dan andere NVM-technologieën werken Excelon LP-F-FRAM-apparaten met de minimale stroomniveaus die nodig zijn om de batterij langer te laten meegaan in draagbare producten. De CY15x108QI 8 megabit (Mb) F-RAM LP-serie van Cypress werkt met 20 megahertz (MHz) en verbruikt slechts 1,3 milliampère (mA) terwijl de CY15x104QI 4 Mb F-RAM LP-serie van Cypress slechts 1,2 mA verbruikt. Zoals hieronder meer in detail wordt besproken, krijgen ontwikkelaars dankzij deze apparaten ook meerdere opties voor een verdere vermindering van het stroomverbruik.

De leden van de Excelon LP-familie zijn ontworpen om een groot aantal systeemvereisten te ondersteunen en zijn verkrijgbaar met zowel commerciële als industriële temperatuurbereiken en ook met verschillende voedingsspanningen. De 4 Mb CY15V104QI en de 8 Mb CY15V108QI werken bijvoorbeeld met een voedingsspanning van 1,71 volt tot 1,89 volt, terwijl de 4 Mb CY15B104QI en de 8 Mb CY15B108QI zijn ontworpen om te werken met een voeding tussen 1,8 volt en 3,6 volt.

Eenvoudig systeemontwerp

Behalve dat ze een goede match met de operationele eisen van verschillende toepassingen garanderen, maken de apparaten het systeemontwerp ook makkelijker. In een typisch ontwerp zouden ontwikkelaars een seriële perifere interfacebus (SPU) gebruiken om één of meerdere Excelon LP F-RAM-apparaten als SPI-slaves te verbinden met een SPI-master zoals een microcontroller (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: Ontwikkelaars kunnen lange-termijnopslag aan hun ontwerpen toevoegen door gewoonweg één of meerdere Excelon LP-F-RAM-apparaten van Cypress Semiconductor toe te voegen aan de SPI-bus die wordt bestuurd door een SPI-master zoals een microcontroller. (Bron afbeelding: Cypress Semiconductor)

De transacties via de verbindende SPI-bus verlopen eenvoudig en snel. Als de Excelon LP F-RAM-apparaten naar geheugen schrijven, gebeurt dat zonder de extra schrijfvertraging die eerder werd opgemerkt voor flash- of EEPROM-technologieën. In plaats daarvan wordt iedere byte, zodra deze het apparaat bereikt via de SPI-bus, onmiddellijk naar het F-RAM-array geschreven, waardoor het risico van gegevensverlies door een onverwachte stroomstoring aanzienlijk wordt verminderd.

Voor de systeemontwikkelaar volgt het schrijfproces een eenvoudig SPI-protocol met SPI operation codes (opcodes) volgens de industriestandaard. De hostprocessor begin iedere schrijfsequentie door een write-enable (WREN)-opcode (06h) door te sturen terwijl de chip-selectlijn (ØCS) omhoog en daarna omlaag wordt gebracht. Na deze korte initialisatiefase begint de hostprocessor de schrijfbewerking door een write-opcode (02h) door te sturen, gevolgd door een 24-bits adres. (De bovenste vier bits van het adres worden genegeerd in deze apparaten, maar garanderen compatibiliteit met toekomstige F-RAM-apparaten met hoge dichtheid.) Onmiddellijk na het verzenden van het adres kan de hostprocessor beginnen met het overdragen van databytes (Afbeelding 3).

Afbeelding 3: Tijdens de standaard SPI-schrijfsequentie schrijven Excelon LP F-RAM-apparaten van Cypress Semiconductor de gegevens onmiddellijk naar het F-RAM-array zonder de buffer- of uitzettijdvertragingen die optraden bij eerdere NVM-technologieën. (Bron afbeelding: Cypress Semiconductor)

Wanneer de hostprocessor een databyte verzendt, verhoogt het F-RAM-apparaat automatisch intern het adres, zo lang als de hostprocessor de ØCS-lijn laag houdt en kloksignalen blijft verzenden. Daardoor kunnen ontwerpers Excelon LP F-RAM-apparaten gebruiken in ontwerpen die een combinatie van single byte-writes en block-writes nodig hebben.

Leeshandelingen volgen een soortgelijk SPI-protocol. Nadat de ØCS omlaag is gebracht, verzendt de hostprocessor een read-opcode (03h) en het 24-bit adres. Het Excelon LP F-RAM-apparaat antwoordt onmiddellijk door de databytes op de SO-lijn te verzenden met iedere SCK-klokcyclus. Net als de schrijfhandelingen duren de leeshandelingen net zo lang als de hostprocessor ØCS laag houdt en SCK-klokken blijft afgeven.

De levensduur van de batterij verlengen

Samen met hun eenvoudige systeemontwerpvereisten, bieden deze laagvermogen F-RAMs ontwikkelaars opties voor het verminderen van het stroomverbruik en het verlengen van de levensduur van de batterij. CY15x10xQI-apparaten van Cypress zijn specifiek ontworpen voor toepassingen met batterijvoeding en hebben ingebouwde inschakelstroomstuurcircuits die de relatief grote stromen verminderen die gewoonlijk worden gegenereerd tijdens het opstarten van NVM-apparaten.

Met de Excelon LP F-RAM-apparaten van Cypress kunnen ontwikkelaars ook verschillende strategieën gebruiken om de levensduur van de batterij te verlengen in wearable- en IoT-ontwerpen die sensors gebruiken om het relatief langzame verloop van real-world evenementen te traceren. In die ontwerpen kunnen de Excelon LP F-RAM-apparaten van Cypress gewoonlijk worden gebruikt met een lagere klokfrequentie die het stroomverbruik verlaagt. Tijdens werking met een 1MHz-klok bijvoorbeeld, daalt het stroomverbruik van de 8 Mb CY15V108QI tot 300 microampère (µA) van de 1,3 mA die werd verbruikt bij 20 MHz. Op dezelfde manier heeft de 4 Mb CY15V104QI slechts 200 µA nodig bij 1 MHz vergeleken met de 1,2 mA bij 20 MHz.

Door speciale laagvermogenmodi te gebruiken die beschikbaar zijn met Excelon LP F-RAM-apparaten, kunnen ontwikkelaars het energieverbruik van het systeem verder omlaag brengen tijdens de diverse inactieve perioden die zich gewoonlijk voordoen in wearable- en IoT-toepassingen. Deze F-RAM-apparaten ondersteunen drie modi met een lager verbruik waarmee ontwikkelaars responstijd kunnen inruilen voor een lager stroomverbruik.

De apparaten gaan automatisch de eerste laagvermogenmodus in, de standbymodus, wanneer de ØCS omhoog wordt gebracht om een SPI-sequentie te beëindigen. Omgekeerd verlaten de apparaten automatisch de standbymodus wanneer ØCS omlaag wordt gebracht om een nieuwe SPI-sequentie te beginnen. In de standbymodus verbruikt de 8 Mb CY15V108QI Excelon LP F-RAM slechts 3,5 µA en heeft de 4 Mb CY15V104QI slechts 2,3 µA nodig.

De standbymodus levert een onmiddellijke, automatische stroomvermindering op zonder extra vertragingen te veroorzaken bij terugkeer naar de normale actieve modus. Voor toepassingen met lange inactieve perioden vermindert dit stroomverbruik echter onnodig de levensduur van de batterij op de lange termijn. Voor die gevallen bieden Excelon LP F-RAM-apparaten twee extra laagvermogenmodi: de deep power down-modus en de slaapmodus.

Anders dan de standaard standbymodus, worden de deep power down-modus en de slaapmodus expliciet ingeschakeld via het gebruik van speciale SPI-opcodes. Op eenzelfde manier als de SPI-lees- en -schrijfhandelingen, geeft de SPI-master een deep power down (DPD)-opcode (BAh) of een slaap (HBN)-opcode (B9h) af om het F-RAM-apparaat in de bijbehorende laagvermogenmodus te brengen (Afbeelding 4).

Afbeelding 4: Ontwikkelaars kunnen standaard SPI-protocollen gebruiken om Excelon LP F-RAM-apparaten van Cypress Semiconductor in de deep power down (DPD)- of slaap (HIB)-modi te brengen, die het stroomverbruik zeer sterk verlagen, maar verschillende vertragingen oplopen om de respectieve laagvermogenmodus te openen (t_ENTxxx) en te sluiten (t_EXTxxx). (Bron afbeelding: Cypress Semiconductor)

Het effect van deze laagvermogenmodi is zeer sterk, met een daling van het stroomverbruik tot onder 1 µA (Tabel 1). Alhoewel ze de apparaatstroom aanzienlijk verminderen, brengen deze modi een compromis met zich mee dat invloed kan hebben op tijdgevoelige gegevenshandelingen. De op opcode gebaseerde laagvermogenmodi DPD en HIB veroorzaken extra vertragingen in verband met de tijd die nodig is om de modus te openen (t_ENTDPD of t_ENTHIB) en te sluiten (t_EXTDPD of t_EXTHIB) (Tabel 1 & Afbeelding 4).

Tabel 1: Stroomverbruik in Excelon LP F-RAM vermogenmodi met bijbehorende vertragingen voor het openen (t_ENTDPD of t_ENTHIB) of sluiten (t_EXTDPD of t_EXTHIB) van de op opcode gebaseerde deep power down- en slaapmodi. De cijfers hebben betrekking op commerciële laagspanningsversies met een voedingsbereik van 1,71 volt tot 1,89 volt en een bedrijfstemperatuur van 0 °C tot +70 °C. (Bron gegevens: Cypress Excelon LP F-RAM gegevensbladen)

Bij het gebruik van de op opcode gebaseerde laagvermogensmodi moeten ontwikkelaars de voordelen van een lager stroomverbruik in deze modi in balans brengen met de verbruikte stroom en de benodigde tijd om ze te openen en te sluiten. Ieder systeem met langdurige inactieve perioden is een goede kandidaat voor de beide modi, maar de specifieke keuze voor de modus hangt kritisch af van de verwachte werkcyclus voor bewerkingen van het F-RAM-apparaat tijdens actieve perioden. Voor F-RAM-apparaten die met een hoge werkcyclus moeten werken, kunnen de kosten van het herhaaldelijk openen en sluiten van een laagvermogenmodus averechts werken. Cypress zegt bijvoorbeeld dat iedere toepassing met een inactieve periode van 10 seconden of langer een uitstekende kandidaat is voor de slaapmodus.

Conclusie

Een opkomende behoefte aan langdurige gegevensopslag in wearables en IoT-apparaten met batterijvoeding zorgt ervoor dat ontwikkelaars zoeken naar NVM-apparaten met een laag energieverbruik, maar zonder de prestatiebeperkingen van conventionele NVM-technologieën zoals EEPROM en flashgeheugen. Bouwend op de inherente snelheid en betrouwbaarheid van F-RAM-technologie combineren de Excelon low-power (LP) F-RAM-apparaten van Cypress Semiconductor hun inherente verminderde stroomvereisten met programmeerbare laagvermogenmodi die hun stroomverbruik omlaag kunnen brengen tot minder dan één microampère. Door de Excelon LP F-RAMs van Cypress te gebruiken, kunnen ontwikkelaars ontwerpen met batterijvoeding snel aanvullen met langdurige gegevensopslag die de snelheid van conventioneel Random Access Memory biedt en de mogelijkheid om gegevens meer dan 150 jaar betrouwbaar te bewaren.