Gebruik ferro-elektrisch geheugen om de betrouwbaarheid van automotivetoepassingen te verbeteren

Niet-vluchtig geheugen (NVM) speelt een belangrijke rol in vrijwel ieder ingebed systeemontwerp, maar veel ontwerpen stellen steeds strengere eisen aan het niet-vluchtige geheugen op het gebied van de schrijf- en toegangssnelheid, het bewaren van gegevens en een laag verbruik. Dat is steeds meer het geval in automotivetoepassingen waarin ontwerpers meer geavanceerde functies proberen in te bouwen, zoals geavanceerde rijhulpsystemen (advanced driver assistance systems - ADAS) die bedrijfskritisch zijn.

Om een veilige en betrouwbare werking van die systemen te garanderen, moeten ontwerpers beter kijken naar geavanceerd ferro-elektrisch random access memory (F-RAM) als low-power automotive NVM-optie die betrouwbaar is, weinig verbruikt en sneller is dan de huidige NVM-oplossingen.

In dit artikel worden de belangrijkste kenmerken van F-RAM-technologie besproken en wordt beschreven hoe ontwikkelaars twee F-RAM-oplossingen van Cypress Semiconductor kunnen gebruiken om de betrouwbaarheid van ADAS te verbeteren en hoe ze ADAS kunnen gebruiken als proxy voor F-RAM-gebruik in andere bedrijfskritische toepassingen.

Automotive NVM-eisen

Automotive veiligheidstoepassingen belichamen de trend in de sector voor de integratie van meer geavanceerde sensors met een hogere resolutie en hogere updatesnelheden. Automotive subsystemen zoals ADAS, elektronische controle-eenheden (ECU's) en event data recorders (EDR's) blijven zich ontwikkelen en vertrouwen op diepe datapools met gegevens die worden verzameld van een groot aantal sensors. Ieder gegevensverlies of zelfs een langzame toegang tot de gegevens kan de systeemveiligheid, het voertuig en de passagiers in gevaar brengen.

In ADAS-ontwerpen bijvoorbeeld kan de tijd die nodig is om naar EEPROM (electrically erasable programmable read-only memory) te schrijven een mogelijk rampzalige vertraging in de automatische bewegingen brengen die zijn ontworpen om gedetecteerde gevaren te vermijden. In EDR-ontwerpen kunnen trage schrijfprestaties ervoor zorgen dat kritieke sensorgegevens verloren gaan als de voeding uitvalt tijdens een voertuigongeval, waardoor hoogstwaarschijnlijk precies die gegevens worden verwijderd die nodig zijn om de oorzaak van het ongeval te begrijpen.

F-RAM NVM-kenmerken

Geheugenapparaten die zijn gebouwd met F-RAM-technologie bieden een effectief alternatief voor NVM dat kan voldoen aan de toenemende vraag en prestatievereisten voor betrouwbare gegevensopslag en toegang met hoge snelheid. Die apparaten zijn gemaakt van lood-zirconaat-titanaat (Pb[Zr_xTi_1−x]O₃), ook wel gewoon bekend als PZT. PZT heeft de unieke kenmerken waarbij de in het PZT-kristal ingebedde metaal (kation) leegte één van twee mogelijke polarisatietoestanden zal aannemen, omhoog of omlaag, volgens de richting van het toegepaste elektrische veld (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: F-RAM-technologie maakt gebruik van twee even stabiele energiestatussen die worden vertoond door PZT-materialen bij blootstelling aan een elektrisch veld. (Bron afbeelding: Cypress Semiconductor)

Omdat beide gelijke low-energy statussen zijn, blijft de kation in de meest recente polarisatietoestand staan wanneer het elektrische veld wordt verwijderd (Afbeelding 2). Bij toepassing van een positief of negatief elektrisch veld zal de kation weer snel overgaan in de juiste polarisatietoestand volgens een kenmerkende hysteresislus die gelijkenis vertoont met de lus die wordt aangetroffen in ferromagnetische materialen.

Afbeelding 2: PZT-materialen volgen een kenmerkende hysteresislus bij schakeling tussen twee stabiele polarisatietoestanden als reactie op een toegepast elektrisch veld. (Bron afbeelding: WikiMedia Commons/ CC-BY-SA-3.0)

De kenmerken van F-RAM-technologie worden direct omgezet in een aantal voordelen voor NVM-apparaten die met deze technologie zijn gemaakt. Omdat beide PZT-energiestatussen even stabiel zijn, blijft de kation decennia- of mogelijk eeuwenlang in zijn laatste positie staan, met als gevolg een ongekend lang behoud van gegevens in F-RAM NVM-apparaten op PZT-basis. Omdat deze technologie is gebaseerd op kationpositie in plaats van op de laad-opslagmechanismen van andere NVM-technologieën, zijn F-RAM-apparaten ook inherent stralingstolerant en immuun voor afzonderlijke gebeurtenisverstoringen door ioniserende straling.

Buiten de voordelen voor lange-termijnopslag verbetert F-RAM-technologie de dynamische prestaties van NVM-apparaten. De statusovergang is zeer snel en heeft weinig energie nodig, waardoor een fundamentele beperking van het gebruik van EEPROM of flashgeheugen in bedrijfskritieke toepassingen wordt overwonnen. EEPROM- en flash-apparaten hebben een aanzienlijke "uitzettijd" nodig voor gegevensbuffering tijdens hun relatief langzame schrijfcycli. Deze extra vertraging in de schrijfcyclus heeft een periode tot gevolg waarin gegevens het risico lopen om volledig verloren te gaan als de voeding uitvalt voordat de handeling is voltooid met de laatste leesstatuscontrole (Afbeelding 3).

Afbeelding 3: De noodzaak van een lange uitzettijd (rood gemarkeerd) tijdens EEPROM- of flash-schrijfhandelingen vertaalt zich in een aanzienlijke periode waarin gegevens risico lopen vergeleken met F-RAM-apparaten. (Bron afbeelding: Cypress Semiconductor)

Om rekening te houden met de tragere schrijfcycli in EEPROM- of flash-geheugen hebben ontwikkelaars die de effecten van voedingsuitval proberen te beperken grote condensators of batterijen moeten toevoegen, samen met de juiste spanningsregelaars om de NVM-voedingsspanning lang genoeg te behouden om schrijfhandelingen te voltooien. F-RAM's zoals de Excelon-Auto-apparaten van Cypress Semiconductor daarentegen werken op bussnelheid tijdens schrijfhandelingen, waardoor het verlies van belangrijke gegevens enorm wordt verminderd en er geen extra voedingsbronnen in het ontwerp nodig zijn.

Automotive F-RAM-apparaten

De werking van Excelon™-Auto F-RAM-apparaten komt overeen met die van seriële EEPROM's en seriële flash-geheugens, maar zijn ontworpen op de eisen van bedrijfskritische toepassingen voor betrouwbaar, hoog presterend NVM. Ontwerpers van automotive-systemen kunnen deze AEC-Q100-compatibele apparaten gebruiken om andere geheugentypes te vervangen, waarbij ze kunnen kiezen uit de CY15V102QN voor 1,71 tot 1,89 volt, of de CY15B102QN voor 1,8 tot 3,6 volt. Beide zijn 2 megabit (Mbit) apparaten, die logisch zijn georganiseerd als 256 Kbit x 8.

In hun hele bedrijfstemperatuurbereik van -40°C tot +125°C hebben de F-RAM's van Excelon een veel groter gegevensbehoud dan wat beschikbaar is met andere NVM-technologieën. De CY15x102QN kan gegevens naar schatting bijvoorbeeld 121 jaar behouden bij werking op 85°C. Omdat gegevensbehoud omgekeerd evenredig is met temperatuur, hebben de F-RAM's, als ze worden gedwongen om aan de hoge kant van de typische motortemperaturen te werken, bijvoorbeeld bij 95°C, een geschat gegevensbehoud van 35 jaar.

Wat de betrouwbaarheid betreft, hebben de F-RAM's een lees/schrijfcyclusduur van 10¹³, wat ongeveer zeven factors hoger is dan een typisch EEPROM- of flash-geheugen. Daarom hoeven ontwikkelaars die deze F-RAM-apparaten gebruiken geen technieken als slijtagenivellering te implementeren, wat weggeschreven gegevens verdeelt over sectoren om rekening te houden met de beperkte schrijfcycli van andere NVM-technologieën.

Vereenvoudigd ontwerp met F-RAM

In een typisch ontwerp kunnen ontwikkelaars deze apparaten gebruiken om direct andere types NVM-apparaten, zoals NOR flash, te vervangen of aan te vullen. In een ADAS-ontwerp bijvoorbeeld kunnen ontwikkelaars een NOR-flash die wordt gebruikt om firmware op te slaan combineren met een Excelon F-RAM die op een betrouwbare manier om kan gaan met meerdere gegevensstromen van de vele automotive subsystemen die input geven aan ADAS-toepassingen (Afbeelding 4).

Afbeelding 4: Automotive ADAS-ontwikkelaars kunnen Excelon F-RAM-apparaten voor opslag van kritieke gegevens combineren met NOR-flash-apparaten die gewoonlijk worden gebruikt voor het opslaan van firmware of configuratiegegevens in ontwerpen op microcontroller (MCU)-basis. (Bron afbeelding: Cypress Semiconductor)

Ontwikkelaars kunnen Excelon F-RAM's eenvoudig opnemen in een ontwerp door ze gewoon te verbinden met de seriële perifere interfacebus (SPI) van de hostprocessor. De CY15x102QN F-RAM's zijn ontworpen om te werken als SPI-slave apparaten en kunnen SPI-kloksnelheden tot 50 megahertz (MHz) ondersteunen. In een typische hardwareconfiguratie sluiten ontwikkelaars de seriële in (SI) en seriële uit (SO) van de F-RAM respectievelijk aan op de Master Out Slave In (MOSI)- en Master In Slave Out (MISO)-lijnen van de SPI-master. Verbindingen met de respectieve seriële klok (SCK)- en chip select (/CS)-lijnen voltooien de hardware-interfaces. Ontwikkelaars kunnen meerdere apparaten combineren die de host-SPI-bus delen (Afbeelding 5).

Afbeelding 5: Ontwikkelaars kunnen een gedeelde SPI-bus gebruiken om een hostprocessor te verbinden met één of meerdere CY15x102QN-F-RAM's. (Bron afbeelding: Cypress Semiconductor)

Voor MCU's zonder SPI-mogelijkheden, ondersteunen de CY15x102QN-apparaten een eenvoudig alternatief voor het emuleren van de SPI-hardware-interface door de general purpose IO (GPIO) van de microcontroller te gebruiken voor verbinding met de F-RAM. Ontwikkelaars kunnen deze interface implementeren met slechts drie GPIO door dezelfde pen te gebruiken voor de SI- en SO-gegevenslijnen van de F-RAM (Afbeelding 6).

Afbeelding 6: Voor een microcontroller zonder ingebouwde SPI-mogelijkheid, kunnen ontwikkelaars gewoon de general purpose IO van de microcontroller gebruiken om het SPI-protocol te emuleren voor toegang tot een CY15x102QN seriële F-RAM. (Bron afbeelding: Cypress Semiconductor)

In het standaard SPI-protocol initieert een master een transactie door /CS laag te maken. Nadat zijn /CS laag is gemaakt, interpreteert de F-RAM de volgende byte als een opcode. Een schrijfhandeling volgt bijvoorbeeld de SPI-standaard schrijf-opcode (02h) met de drie byte-adressen en data-bytes (Afbeelding 7).

Afbeelding 7: Cypress CY15x102QN F-RAM-apparaten ondersteunen standaard SPI-opcodes en -protocollen, zodat ontwikkelaars eenvoudig zero-delay schrijfhandelingen kunnen uitvoeren door de schrijf-opcode (02h), adres en gegevens na elkaar te verzenden. (Bron afbeelding: Cypress Semiconductor)

Voor de 2 Mbit CY15x102QN F-RAM's is het adres een reeks van drie byte, waarbij de bovenste zes bits worden genegeerd. Cypress raadt aan om deze bovenste zes bits op nul te zetten om in de toekomst eenvoudig over te kunnen stappen op F-RAM-apparaten met een hoger vermogen.

Een leeshandeling volgt hetzelfde protocol. Nadat de standaard lees-opcode (03h) en het adres zijn ontvangen, draagt het F-RAM-apparaat gegevensbytes opeenvolgend over aan SO, waarbij automatisch het geheugenadres wordt vergroot terwijl /CS laag blijft en kloksignalen doorgaan. Daarom kunnen ontwikkelaars een bulk read uitvoeren door gewoon /CS laag te houden en door te gaan met het afgeven van SCK-kloksignalen totdat het vereiste aantal gegevensbytes is gelezen.

De CY15x102QN F-RAM's ondersteunen ook een snelle-leesfunctie die compatibel is met serieel flash-geheugen. Na de snelle-leesopcode (0Bh) en het adres zendt de SPI-host een dummy-byte om flash-leesvertraging te emuleren. Nadat de dummy-byte is ontvangen, antwoordt de F-RAM met de gevraagde gegevens. Snelle-leeshandelingen kunnen ook bulk leesopdrachten uitvoeren met hetzelfde mechanisme als standaard leesopdrachten.

Schrijfbeveiliging

Samen met SPI-interfacebesturingslogica bieden de CY15x102QN F-RAM's ook aanvullende mechanismen om het apparaat te herkennen en het F-RAM-array schrijfbeveiliging te geven.

Ontwikkelaars kunnen SPI-opcodes uitgeven om het alleen-lezen unieke ID en apparaat-ID van het CY15x102QN-apparaat te openen, die informatie geven als de fabrikant, geheugendichtheid en deelrevisie. Ontwikkelaars kunnen ook een lees/schrijf-serienummerregister van acht byte instellen om een F-RAM te koppelen aan een bepaald systeem of configuratie.

Het apparaat biedt zowel software- als hardwaremechanismen voor beveiliging van de F-RAM. Voor gegevensbescherming tijdens de productie is er een speciale sector van 256 byte ontworpen om de gegevensintegriteit te behouden tijdens maar liefst drie standaard reflow-soldeercycli. Voor bescherming tijdens normale handelingen gebruikt het apparaat een write-enable latch (WEL) om het F-RAM-array te beschermen tegen onbedoelde schrijfhandelingen. Bij het opstarten wordt de WEL standaard gewist, zodat de ontwikkelaar de write-enable (WREN)-opcode (06h) moet afgeven voordat er schrijfhandelingen worden uitgevoerd.

In het statusregister van het apparaat zorgt een paar blokbeschermingsbits (BP) bits, BP0 en BP1, ervoor dat ontwikkelaars het geheugen over het volledige adresbereik (BP1=1, BP0=1), alleen in de bovenste helft van het geheugen (BP1=1, BP0=0), of alleen in het bovenste kwart van het geheugen (BP1=0, BP0=1) kunnen beschermen.

Ontwikkelaars kunnen de hardware write protect pin (/WP) gebruiken om te voorkomen dat software de BP-bits verandert tijdens normale handelingen. Hier zetten ontwikkelaars het write protect enable (WPEN) bit in in het statusregister en maken ze de /WP-pin laag om het statusregister te vergrendelen.

Voedingsbeheer

Bij normale bewerkingen heeft het efficiënte energieverbruik dat inherent is voor F-RAM-technologie typisch een stroomverbruik tot gevolg voor de CY15V102QN (VDD 1,71 tot 1,89 volts) op slechts 5.0 milliampère (mA) voor bewerkingen met de maximale kloksnelheid van 50 MHz. Ontwikkelaars kunnen de klokfrequentie verminderen voor nog meer energiebesparing, zodat het stroomverbruik daalt tot ongeveer 0,4 mA bij 1 MHz voor de CY15V102QN. Het stroomverbruik met CY15B102QN (VDD 1,8 tot 3,6 volts) is maar iets hoger met 6,0 mA bij 50 MHz en 0,5 mA bij 1 MHz.

Voor langdurige perioden van inactiviteit brengen ontwikkelaars het energieverbruik aanzienlijk omlaag door SPI-opcodes te gebruiken om de CY15x102QN-apparaten in drie low-powermodi te zetten:

• Stand-by modus met een typisch stroomverbruik van 2,7 microampère (μA) voor de CY15V102QN of 3,2 μA voor de CY15B102QN
• Deep power down modus met 1,1 μA voor de CY15V102QN of 1,3 μA voor de CY15B102QN
• Slaapmodus met 0,1 μA voor de beide onderdelen

De CY15x102QN-aparaten schakelen automatisch over naar de stand-by modus wanneer de SPI-host /CS hoog maakt aan het einde van een opcode-reeks. Om het apparaat in de deep power down- of slaapmodus te schakelen, gebruikt de SPI-host het SPI-opcodeprotocol. Specifiek schakelt de SPI-host naar een van de twee laagste verbruiksmodi door eerst /CS laag te maken, dan een speciale opcode voor deep power down (BAh) of slaapstand (B9h) te zenden en ten slotte /CS hoog te maken (Afbeelding 8).

Afbeelding 8: Terwijl CY15x102QN F-RAM-apparaten automatisch in de stand-by modus gaan na een opcode-reeks, kunnen ontwikkelaars ze in modi met een nog lager energieverbruik zetten, zoals deep power down (DPD) met de normale SPI-opcode-procedure. (Bron afbeelding: Cypress Semiconductor)

Wanneer de SPI hoost /CS hoog maakt na het verzenden van de juiste low-power-opcode, gaat de CY15x102QN F-RAM de gevraagde low-powermodus in binnen ongeveer 3 μs.

Vanuit de stand-by modus keren de Cypress F-RAM's onmiddellijk terug in de actieve modus wanneer /CS laag wordt om de volgende opcode-reeks te beginnen. Ook uit de deep power down- of slaapmodus keren de F-RAM's terug in de actieve modus nadat /CS laag is gemaakt, maar met een korte vertraging van ongeveer 10 μs voor de deep power down-modus of 450 μs uit de slaapmodus.

Conclusie

De behoefte aan betrouwbaar, snel, low-power, hoog presterend NVM is steeds belangrijker geworden in een groot aantal toepassingen die afhankelijk zijn van gegevens van een steeds grotere reeks sensors. In bedrijfskritieke gebieden, zoals automotive ADAS-toepassingen, kan het verlies van gegevens de veiligheidsmechanismen die zijn ontworpen om het voertuig en zijn inzittenden te beschermen aanzienlijk verzwakken.

Door F-RAM-apparaten van Cypress Semiconductor te gebruiken, kunnen ontwikkelaars eenvoudig NVM toevoegen dat kritieke gegevens decennia lang betrouwbaar kan bewaren zonder in te leveren op de eisen aan de prestaties of het lage verbruik.