Hur man använder MRAM för att förbättra tillförlitligheten, sänka latensen och minska strömförbrukningen för edge computing

Användningen av edge computing växer inom områden som industriellt sakernas internet (IIoT), robotik, medicintekniska produkter, kroppsnära produkter, artificiell intelligens, fordon och bärbara produkter. Parallellt med denna tillväxt finns behov av snabbt, låglatent, icke-flyktigt, strömsnålt, billigt minne för användning som programlagring och säkerhetskopiering av data. Även om det finns många alternativ tillgängliga - såsom SRAM (Static Random Access Memory), dynamiskt RAM (DRAM), Flash och elektriskt raderbart programmerbart skrivminne (EEPROM) - kräver var och en av dessa allmänt använda teknologier kompromisser på ett eller flera områden, vilket gör dem mindre än idealiska för edge computing.

Konstruktörer bör därför titta närmare på magnetoresistiva RAM-minnen (MRAM). MRAM lagrar, som namnet antyder, data i magnetiska lagringselement och erbjuder verklig slumpmässig åtkomst, vilket gör att både läsning och skrivning sker slumpmässigt i minnet. Deras struktur och funktion är sådan att de har låg latens, lågt läckage, högt skrivcykelantal och hög datapermanens, vilket alla är mycket önskvärda för processning i molnkanten, eller edge computing.

Denna artikel jämför kortfattat prestandan hos vanliga minnesteknologier, inklusive EEPROM, SRAM och Flash med MRAM. Den går sedan igenom fördelarna med att använda MRAM i flera edge computing-applikationer och presenterar några specifika MRAM-produtker från Renesas Electronics, några MRAM-användningstips och en utvärderingsplattform för att hjälpa konstruktörer komma igång med sina konstruktioner.

Jämförelse av minnesteknologier

Konstruktörer av edge computing-applikationer har flera minnesteknologier att välja mellan, vilka alla erbjuder olika prestanda och kompromisser (figur 1). Oftast tillhandahåller DRAM arbetsminnet för olika typer av processorer under programkörning. Det är billigt, relativt långsamt (jämfört med SRAM), förbrukar avsevärt med ström och behåller datan bara så länge det finns strömförsörjning. Dessutom är DRAM-minnesceller känsliga för strålning.

SRAM är snabbare och är dyrare än DRAM. Det används ofta som cacheminne för processorer, medan DRAM används som huvudminne. Det är det mest strömhungriga av de minnen som beskrivs här och precis som DRAM är det ett flyktigt minne. SRAM-celler kan ta skada av strålning och både DRAM och SRAM tål många skrivcykler.

EEPROM är ett icke-flyktigt minne som använder en externt pålagd spänning för att radera data. EEPROM är långsamma, har en begränsad livslängd - vanligtvis upp till en miljon cykler - och är relativt strömhungriga. EEPROM är idag den minst använda av de minnesteknologier som beskrivs här.

Flash är en variant av EEPROM, med betydligt större lagringskapacitet och med snabbare läs-/skrivhastighet, men det är fortfarande relativt långsamt. Flash är billigt och data överlever i avstängt läge i upp till tio år. Flash är dock mer komplext att använda i förhållande till andra minnestyper. Data måste läsas i block och kan inte läsas byte för byte. Innan celler skrivs om måste de också raderas. Radering måste utföras block för block, inte byte för byte.

MRAM är å sin sida ett minne med verklig slumpmässig åtkomst; både läsning och skrivning sker slumpmässigt i minnet. MRAM har också noll läckage i standby-läge och kombinerar möjligheten att tåla 10¹⁶ skrivcykler med en datalagringstid på över 20 år vid 85 °C. Den finns för närvarande i storlekar på 4 till 16 Mbit.

MRAM-tekniken är analog med Flash-tekniken med SRAM-kompatibla läs-/skrivtider (MRAM kallas ibland för permanent SRAM (P-SRAM)). Till följd av dess egenskaper är MRAM särskilt lämpat för applikationer som måste lagra och hämta data med minimal latens. Det kombinerar denna låga latens med låg effekt, oändlig livslängd, skalbarhet och icke-volatilitet. MRAM:s inherenta immunitet mot alfapartiklar gör det också lämpligt för produkter som regelbundet utsätts för strålning.

Figur 1: MRAM är icke-flyktigt som Flash och EEPROM och har SRAM-kompatibla läs-/skrivtider. (Bildkälla: Renesas Electronics)

Hur MRAM fungerar

Som namnet antyder lagras data i MRAM av magnetiska lagringselement. Elementen är uppbyggda av två ferromagnetiska plattor, som var och en kan hålla kvar en magnetisering, åtskilda av ett tunt isolerande skikt. Denna struktur kallas en magnetisk tunnelkoppling (MTJ). En av de två plattorna är en permanentmagnet inställd på en specifik polaritet under tillverkningen; den andra plattans magnetisering kan ändras för att lagra data. Renesas Electronics har nyligen introducerat MRAM-produkter som använder ett egenutvecklat MRAM med "spin transfer"-moment (STT-MRAM) som bygger på en vinkelrät magnetisk tunnelkoppling (p-MTJ). p-MTJ inkluderar ett fast och oföränderligt magnetskikt, ett dielektriskt barriärlager och ett utbytbart ferromagnetiskt lagringsskikt (figur 2).

Figur 2: Grundcellen i STT-MRAM består av en MTJ och en åtkomsttransistor. (Bildkälla: Avalanche Technology)

Under en programmeringsoperation byts lagringsskiktets magnetiska orientering elektriskt från ett parallellt tillstånd (lågresistanstillstånd "0") till ett antiparallellt tillstånd (högresistanstillstånd "1"), eller vice versa, beroende på strömriktningen genom p-MTJ-elementet. Dessa två distinkta resistanstillstånd används för datalagring och avkänning.

Användningsområden för MRAM

Dataloggning, minnen i IoT-noder, maskininlärning/artificiell intelligens i edge computing-enheter och RFID-taggar på sjukhus är exempel på MRAM-användningsområden.

Dataloggers kräver flera megabit icke-flyktigt minne för att rymma ackumulerad data över lång tid. De är vanligtvis batteridrivna, men kan också bygga på energiutvinning för sin strömmatning, och de kräver därför strömsnåla minnen. I händelse av strömavbrott måste de loggade uppgifterna lagras permanent. MRAM uppfyller prestandakraven för dataloggare.

De permanenta egenskaperna i MRAM kombinerat med ett extremt strömsnålt energiläge möjliggör en samlad minneslösning för kod och data i IoT-noder som drivs med energiutvinning eller batterikällor av extremt små storlekar (figur 3). Uppstartstid är ofta en viktig faktor i IoT-noder. Genom att implementera en kod-på-plats-struktur med MRAM, kan man minska tiden som krävs för uppstart och den totala materialkostnaden, eftersom det finns mindre behov av DRAM och SRAM.

Figur 3: MRAM:s hastighet, cykellivslängd och datalagringsfunktioner hjälper den att uppfylla minneskraven i IoT-noder. (Bildkälla: Avalanche Technology)

Permanentegenskaperna i MRAM möjliggör också en ny generation IoT-noder som klarar maskininlärning där inferensalgoritmerna inte behöver laddas om varje gång när enheten väcks till liv. Den lokala processningen inkluderar analys av sensordata, beslut och i vissa fall till och med omkonfigurering av noden. Denna lokaliserade intelligens kräver ett permanentminne med låg strömförbrukning. Dessa enheter kan utföra en grov inferens lokalt i realtid och kan sedan använda molnet för en bättre analys.

Hastigheten i MRAM är till nytta för att implementera maskininlärning i avancerade produkter som ERP-system (enterprise resource planning), tillverkningsstyrsystem (MES) och system för övervakning och datainsamling (SCADA). I dessa system analyseras datan, och mellanliggande mönster identifieras och delas med intilliggande domäner. Edge-arkitekturen kräver snabb processning och permanent minne.

Konstruktörer kan också använda MRAM i medicintekniska produkter där radiofrekvensidentifiering (RFID) kan komma till nytta. Den låga energiförbrukningen kombinerat med dess immunitet mot strålning gör den lämplig för sjukhusmiljöer. RFID-taggar på sjukhus används av olika orsaker, såsom för lagerhantering, patientvård och -säkerhet, identifiering av medicinsk utrustning och identifiering och uppsyn av förbrukningsartiklar.

Seriellt MRAM-minne med hög prestanda

Konstruktörer av edge computing-system, såsom industristyrning och -automation, medicintekniska produkter, bärbar elektronik, nätverkssystem, lagring/RAID, fordon och robotik kan använda Renesas M30082040054X0IWAY (figur 4). Den finns i lagringsstorlekar från 4 till 16 Mbits. Renesas MRAM-teknik är jämförbar med Flash-teknik med SRAM-kompatibla läs-/skrivtider. Datan är alltid icke-flyktig med en livslängd på 10¹⁶ skrivcykler och mer än 20 års databevarande vid 85 °C.

M30082040054X0IWAY har ett seriellt perifert gränssnitt (SPI), vilket eliminerar behovet av drivrutiner för programvaruenheter. SPI är ett synkront seriellt gränssnitt som använder separata ledningar för data- och klocksignal för att hålla master och slav i perfekt synkronisering. Klockan anger för mottagaren exakt när denna ska sampla bitar på dataledningen. Detta kan ske antingen på stigande (låg till hög) eller fallande (hög till låg) eller båda flankerna på klocksignalen.

Figur 4: M30082040054X0IWAY erbjuder både hårdvaru- och programvarubaserade dataskyddsscheman. Hårdvaruskyddet sker via WP#-pinnen. Mjukvaruskyddet styrs av konfigurationsbitar i statusregistret. Båda schemana förhindrar skrivning till register och minnesmatriser. (Bildkälla: Renesas)

M30082040054X0IWAY-modulen stöder eXecute-In-Place (XIP), vilket gör det möjligt att fylla i en serie läs- och skrivinstruktioner utan att behöva ladda läs- eller skrivkommandot för varje instruktion. Således sparar XIP-läget in "overhead"-tid för kommandona och minskar läs- och skrivåtkomsttiden.

M30082040054X0IWAY erbjuder både maskinvarubaserade och mjukvarubaserade dataskyddssystem. Hårdvaruskyddet sker via WP#-pinnen. Mjukvaruskyddet styrs av konfigurationsbitar i statusregistret. Båda schemana förhindrar skrivning till register och minnesmatriser. Den har en 256 byte stor Augmented Storage Array som är oberoende av huvudminnesuppsättningen. Den är programmerbar av användaren och kan skrivskyddas mot oavsiktlig skrivning.

För att ytterligare tillgodose strömsnåla applikationer har M30082040054X0IWAY två strömsnåla lägen: Deep Power Down och Hibernate. Datan går inte förlorad när enheten befinner sig i något av dessa två lågströmstillstånd. Dessutom bibehåller enheten alla sina konfigurationer.

Enheten finns i små 8-paddars DFN- (WSON) och 8-pinnars SOIC-kapslingar. Dessa kapslingar är kompatibla med liknande flyktiga och icke-flyktiga strömsnåla produkter. Den erbjuds för industritemperatur (-40 till 85 °C) och för industritemperatur Plus (-40 till 105 °C).

Använda MRAM

MRAM kan avsevärt minska den totala energiförbrukningen jämfört med andra minnesteknologier. Men energibesparingen kan variera beroende på användningsmönstret för den specifika tillämpningen. Som för andra icke-flyktiga minnen är skrivströmmen mycket högre än läs- eller standbyströmmen. Som en följd av detta måste skrivtiderna minimeras i energikritiska tillämpningar, särskilt i konstruktioner som kräver frekvent skrivning till minnet. MRAM:s kortare skrivtider kan mildra denna faktor och minska energiförbrukningen jämfört med andra icke-flyktiga minnen, såsom EEPROM eller Flash.

Ytterligare energibesparingar är möjliga med MRAM, genom att använda en systemarkitektur för strömstyrning (power gating) och sätta minnet i standby så ofta som möjligt. MRAM:s kortare tid mellan uppstart och skrivning gör det möjligt att sätta MRAM i standby oftare än andra icke-flyktiga minnen. MRAM:s nolläckage i standby-läge är också till hjälp här. Observera att en större avkopplingskondensator ofta behövs för att stödja det större uppstartsbehovet av ström när power gating används.

MRAM-utvärderingskort

För att hjälpa konstruktörer att komma igång med M30082040054X0IWAY tillhandahåller Renesas utvärderingssatsen M3016-EVK. Denna har 16 Mbit MRAM och gör det möjligt för användare att utveckla interaktiva hårdvarulösningar med det populära Arduino-kortet (figur 5). Plug-n-play-satsen har ett Arduino-värdkort och terminalemulatormjukvara som kommunicerar med datorns USB-gränssnitt. Utvärderingskortet monteras ovanpå Arduino UNO-värdkortet via UNO R3-stiftlister. Med testprogrammen som medföljer kan användarna snabbt utvärdera MRAM-enhetens funktionalitet.

Figur 5: Utvärderingssatsen M3016-EVK monteras ovanpå ett Arduino UNO-värdkort för att underlätta snabb utvärdering av MRAM-prestandan. (Bildkälla: Renesas)

Slutsats

Att utveckla avancerade processningsenheter med konventionell minnesteknologi som DRAM, SRAM, Flash och EEPROM kräver en mängd avvägningar som kan begränsa prestandan. För edge computing kan konstruktörer titta på nyligen introducerade MRAM-enheter som erbjuder verkligt slumpmässig åtkomst, så att både läsning och skrivning sker slumpmässigt i minnet.

Såsom visat uppfyller MRAM edge computing-konstruktörers minnesbehov: en komponent som måste lagra och hämta data utan att det uppstår stora latenser, låg energiförbrukning på grund av nolläckage i vänteläge och förmågan att klara 10¹⁶ skrivcykler med en databevarandeförmåga på minst 20 år vid 85 °C.

Rekommenderad läsning

1. Intelligenta säkerhetssystem med Edge-Computing