Új memóriatechnológia az innovatív IoT-alkalmazásokhoz – az arany középút
Legyen szó jármű-infotainmentről, viselhető eszközökről, intelligens otthonról vagy intelligens gyári alkalmazásokról: mindegyiknek skálázhatónak kell lennie, hogy innovatív felhasználói élményt és funkciókat nyújtson. Ehhez nagyobb teljesítményt és alacsonyabb energiafogyasztást kínáló MCU-kra van szükség. Ezek a paraméterek gyakran szabnak határt a memóriának, de egy új technológiának köszönhetően ma már áthidalhatók.
A legtöbb MCU vagy FPGA néhány alkalmazásra optimalizált belső memóriával van ellátva, ami azt jelentheti, hogy nem képesek minden igényt kielégíteni. Ez különösen igaz azokra az alkalmazásokra, amelyek nagy memóriakapacitást és nagy sávszélességet igényelnek a műveletek végrehajtásához. Ezek közé tartozik a kép-/hangpufferelés vagy a gépi tanulás (ML), amelyek kiterjedt neurális hálózatot igényelnek.
Hagyományos külső memóriák
Általában a külső memória a leginkább életképes és könnyen skálázható módszer ezekre az alkalmazásokra. A célalkalmazás sűrűség- és teljesítménykövetelményeitől függően a hagyományos SRAM (statikus véletlen hozzáférésű memória) és az SDR/DDR DRAM (dinamikus véletlen hozzáférésű memória) lehetőségek állnak a felhasználók rendelkezésére. A különböző technológiák és architektúrák miatt eltérő sűrűségű és teljesítményű specifikációkkal rendelkeznek. Általában azonban egyik sem alkalmas innovatív IoT-alkalmazásokhoz, mivel a következő generációs IoT-alkalmazások szélesebb körű funkciókat igényelnek kompakt kialakítással és nagy energiahatékonysággal. Például a hat tranzisztoros SRAM hagyományos elrendezési topológiája nem csökkent a folyamatcsomópontokkal azonos ütemben. Ez azt jelenti, hogy a memória nem támogatja a nagyobb sűrűséget, és viszonylag drága. Így egyre kevésbé gazdaságos az SRAM használata a legújabb, nagy memóriakapacitást igénylő IoT-alkalmazások igényeinek kielégítésére.
Bár a DRAM költségelőnyöket kínál az SRAM-mal szemben, mivel csak egyetlen tranzisztorból és kondenzátorból áll, van néhány hátránya is. Ezek közül a legnagyobbak a nagy lábszám, a magas energiafogyasztás és a bonyolult integráció. Az e tekintetben korlátozásokkal nem rendelkező alkalmazások esetében a meglévő rendszerek számára a hagyományos SDR DRAM továbbra is lehetséges opció marad. Ezek azonban aligha alkalmasak sok élvonalbeli, kompakt IoT-rendszerhez.
Az 1. ábra bemutatja a rendelkezésre álló külső memóriaopciókat, valamint azon paramétereket, amelyeket a tervezőknek figyelembe kell venniük a kiválasztáskor. Egyértelműnek tűnik, hogy a beágyazott SRAM a legjobb memóriatechnológia SoC-alkalmazásokhoz. Ennek ellenére itt is van egy korlátozó tényező: a chipméret és a logikai folyamatba való integráció költségei miatt a beágyazott SRAM sűrűsége korlátozott. Ráadásul, ahogy az MCU-k tovább fejlődnek és átkerülnek a modern IoT-alkalmazási folyamatokba, a beágyazott SRAM elveszíti előnyét a készenléti teljesítmény tekintetében.
1. ábra A külső memóriatechnológiák összehasonlítása
Másrészt a DRAM, bár alkalmas a csúcskategóriás alkalmazásokhoz, gyakran túlzás sok más IoT-alkalmazáshoz. Ennek oka, hogy a lábszám, a sebesség és az energiafogyasztás túlságosan magas.
Alternatív memóriatechnológia a PSRAM (pszeudo SRAM). Itt a teljesítmény és a portok száma ideális egyensúlyban van, és alacsony az energiaigénye.
Az IoT RAM betölti a DRAM és SRAM közötti űrt
Az IoT RAM a PSRAM technológián alapul, átvéve annak jellemzőit, és kombinálva azokat egy viszonylag egyszerű SRAM interfésszel a könnyű terméktervezés érdekében. A további interfészlehetőségekkel, például a legtöbb MCU által használt alacsony pinszámú NOR flash SPI interfészekkel az IoT RAM minden olyan esetben opció, amikor a SoC-eknek több memóriára van szükségük, mint amennyit a belső SRAM biztosítani tud.
A költségeket tekintve az IoT RAM termékköltsége akár tízszer alacsonyabb, mint az SRAM-é. Ugyanakkor az IoT RAM ötször-tízszer nagyobb memóriasűrűséggel rendelkezik, mivel DRAM memóriacellás technológiát használ, amely csak egy tranzisztort és egy kondenzátort tartalmaz.
Alacsony pinszám
Az SRAM-mal összehasonlítva az IoT RAM nagyobb adatsávszélességet kínál, és a hagyományos SDRAM-mal összehasonlítható, de sokkal kisebb pinszámmal (2. ábra). Az IoT RAM esetében az IO-konfiguráció támogathatja az 1, 4, 8 és 16 bites adatbuszokat.
2. ábra Az IoT RAM nagyobb adatsávszélességet nyújt, mint az SRAM, jóval kisebb pinszám mellett
Az IoT RAM ezért jelentősen csökkenti a modern IoT-alkalmazások sávszélességéhez szükséges pinek számát (3. ábra). Ezenkívül a rendszertervezés egyszerűsödik, és a SoC kivezetései más célokra is felhasználhatók.
Az IoT RAM jelentős előnnyel rendelkezik a DRAM-mal szemben a pinszám tekintetében is: az x16 IoT RAM háromszor kevesebb kivezetést igényel, mint az x32 SDRAM hasonló adatátviteli teljesítmény mellett. Ez a chip méretének csökkenéséhez, és ezáltal a szilíciumterület, a költségek és a nyomtatott áramköri lap méreteinek csökkenéséhez vezet. Egy x32-es SDRAM BGA90-hez képest az IoT RAM BGA24 tok akár háromszor kisebb, így rendkívül helytakarékos. Emellett az MCU kivezetései felszabadulnak más célokra, és a memória a burst memóriaelérésre is optimalizálva van.
3. ábra Az IoT RAM és az SDRAM pinszámok összehasonlítása
Alacsony energiafogyasztás
Az IoT RAM energiafogyasztását tekintve körülbelül négyszer kevesebb pJ/bit (pikojoule/bit) szükséges, mint a hagyományos DRAM esetén (4. ábra). Az IoT RAM rövid késleltetése gyors bekapcsolási időt és nagyon gyors ébredést tesz lehetővé az alacsony fogyasztású üzemmódokból és a készenléti üzemmódból. Az IoT RAM továbbá teljes adatmegőrzést kínál rendkívül alacsony készenléti energiafogyasztás mellett – sűrűségtől függően jellemzően 0,1-0,3 µA/Mbit.
4. ábra A különböző memóriatípusok sávszélessége és energiafogyasztása
IoT RAM az MCU-val való keretpuffereléshez
Az AP Memory IoT RAM memóriái a PSRAM technológián alapulnak, és már számos MCU-val, SoC-vel és FPGA-val működnek együtt, amelyeket széles körben használnak IoT és beágyazott eszközökben.
Egy intelligens karkötő esetében a szükséges adatátviteli sebesség a számítások szerint nagyjából 5 MB/s (71 392 × 3 bájt × 30 fps). Figyelembe véve a SoC-busz további késleltetését és az ebben a kategóriában számos SoC esetében a 100 MHz-nél kisebb memóriabusz-frekvencia választását, az IoT RAM QSPI SDR elegendő a szükséges adatátviteli sebesség eléréséhez.
Egy egyszerű okosóra esetében viszont a szükséges adatátviteli sebesség nagyjából 25 MB/s (135 424 × 3 bájt × 60 fps), ami jóval meghaladja az 5 MB/s-ot, és az aktuális modelltől függően akár magasabb is lehet. Ebben az esetben az IoT RAM OPI vagy HPI jobban eléri a szükséges adatátviteli sebességet. A nagy volumenű, versenyképes viselhető eszközökhöz a WLCSP tokozási lehetőségek ajánlottak.
Az IoT RAM széles sávszélesség-tartományban is elérhető az intelligens otthonok és az ipari piac számára. Például egy belépő szintű 16 MB-os QSPI SDR-SOP8 IoT RAM alkalmas egy egyszerű termosztát kijelzőjéhez, amely körülbelül 10 MB/s sebességet igényel. Egy HD 720p kijelző magas követelményei viszont egy 256 MB-os OPI vagy HPI IoT RAM-mal teljesíthetők BGA24-es tokozásban.
2. táblázat Példák a különböző alkalmazások képtárolási követelményeire
IoT RAM – Fordulópont számos MCU-alapú alkalmazás számára
Ezen tulajdonságok az IoT RAM-ot az elmúlt években a hordható eszközök memóriájává tették. A piacvezető gyártók számos legújabb MCU-ja, vezeték nélküli SoC-je és FPGA-ja ezt a memóriát tekinti ideális választásnak minden IoT-, edge AI- és ipari alkalmazáshoz.
A SoC-partnerektől és a Rutroniktól származó referenciatervek használatával a gyártók biztosíthatják a fejlesztői erőforrásaik hatékony felhasználását és a projektek rövid piacra kerülési idejét. A Rutronik RDK2 például az Infineon PSoC 62-re épül, és a külső PSRAM-mal (64 Mbit QSPI) kombinálva modern és könnyen használható hardverplatformot kínál számos alkalmazás, elsősorban viselhető eszközök és érzékelők fejlesztéséhez.
5. ábra A külső IoT RAM használatával az RDK2 egy modern és könnyen használható hardverplatform, különösen a viselhető eszközök és érzékelők fejlesztéséhez
Összefoglaló
Az alacsony pinszám, az alacsony energiafogyasztás, a tokformák széles választéka, valamint a tervezés versenyképessége és egyszerűsége, továbbá az IoT RAM-ok integrációja jelenti a valódi különbséget a hagyományos és megszokott SDRAM-megközelítésekhez képest.
Szerzők: Chen Wang, Digital termékek menedzsere,
Alex de la Bastie, AP Memory Technology üzletfejlesztési igazgatója – Rutronik
Rutronik Magyarország Kft.
1117 Budapest, Alíz utca 1.
Tel.: +36 1 231 3349
E-mail:
