Använd ferroelektriskt minne för att förbättra tillförlitligheten i fordonstillämpningar

Icke-flyktigt minne (NVM) spelar en viktig roll i nästan alla inbäddade systemkonstruktioner, men många konstruktioner har allt mer strikta krav på icke-flyktigt minne när det gäller dataskrivning och åtkomsthastighet, datalagring och låg effekt. Det här är allt vanligare i fordontillämpningar där konstruktörerna försöker bygga mer avancerade funktioner som avancerade förarassistanssystem (ADAS) som är uppdragskritiska.

För at säkerställa säker och tillförlitlig drift av dessa system måste konstruktörerna titta närmare på avancerat F-RAM (ferroelectric random access memory) som ett fordonsindustriklassat NVM-alternativ med låg effekt som är tillförlitligt, har låg effekt och är snabbare än aktuella NVM-lösningar.

Den här artikeln diskuterar nyckelegenskaper hos F-RAM-tekniker och beskriver hur utvecklarna kan använda två F-RAM-lösningar från Cypress Semiconductor för att förbättra tillförlitligheten hos ADAS och använda ADAS som proxy för F-RAM-användning i andra uppdragskritiska tillämpningar.

Krav på fordonsklassat NVM

Fordonssäkerhetstillämpningar förkroppsligar branschtrenden för integrering av mer avancerade sensorer med högre upplösning och snabbare uppdateringstakt. Bilundersystem som ADAS, elektroniska styrenheter (ECU:er) och händelsedataregistrerare (EDR:er) fortsätter att utvecklas och förlitar sig på djupa datapooler som samlats in från en stor uppsättning sensorer. Förlust av data eller till och med långsam åtkomst till data kan äventyra systemsäkerheten, fordonet och dess passagerare.

I ADAS-konstruktioner, till exempel, kan tiden som krävs för att skriva till EEPROM (electrically erasable programmable read-only memory) införa en potentiellt katastrofal fördröjning i de automatiska manövrar som är utformade för att undvika avkända faror. I EDR-konstruktioner kan långsam skrivprestanda orsaka att kritiska sensordata förloras vid strömavbrott under en fordonsolycka och sannolikt eliminera de data som behövs för att förstå grundorsaken till olyckan.

F-RAM NVM-egenskaper

Minnesenheter som byggts med F-RAM-tekniken ger ett effektivt NVM-alternativ som kan uppfylla de ökande efterfrågans- och prestandakraven för tillförlitlig datalagring och höghastighetsåtkomst. Enheterna är tillverkade av blyzirkonattitanat (Pb[Zr_xTi_1−x]O₃), som är känt som PZT. PZT har de unika egenskaperna där metallvakansen (katjon) i PZT-kristallen uppnår en av två möjliga polariseringsstatusar, upp eller ner, beroende på riktningen hos det tillämpade elektriska fältet (figur 1).

Figur 1: F-RAM-tekniken drar nytta av två lika stabila energitillstånd som uppvisas av PZT-material när de utsätts för ett elektriskt fält. (Bildkälla: Cypress Semiconductor)

Eftersom båda är lika höga lågenergitillstånd kommer katjonen att vara kvar i sitt senaste polariseringstillstånd när det elektriska fältet avlägsnas (figur 2). När ett positivt eller negativt elektriskt fält tillämpas kommer katjonen återigen snabbt övergå till den lämpliga polariseringsstatusen efter en karaktäristisk hysteresslinga som liknar den i ferromagnetiska material.

Figur 2: PZT-material följer en karaktäristisk hysteresslinga vid växling mellan två stabila polariseringstillstånd som svar på ett tillfört elektriskt fält. (Bildkälla: WikiMedia Commons/ CC-BY-SA-3.0)

Egenskaperna för F-RAM-teknik medför direkt ett antal fördelar för NVM-enheter som tillverkats med den här tekniken. Eftersom båda PZT-energitillstånden är lika stabila kvarstår katjonen i sitt senaste tillstånd i årtionden eller möjligen århundraden, vilket ger oöverträffade datalagringsvärden i PZT-baserade F-RAM NVM-enheter. Dessutom, eftersom den här tekniken baseras på katjonposition snarare än laddnings-lagringsmekanismerna för andra NVM-tekniker har F-RAM-enheter inneboende strålningsmotstånd och är immuna mot enskilda störningar från joniserande strålning.

Utöver dess fördelar för långvarig lagring förbättrar F-RAM-tekniken den dynamiska prestandan hos NVM-enheter. Övergången mellan tillstånd sker mycket snabbt och kräver bara lite energi så den övervinner en grundläggande begränsning som är förknippad med användningen av EEPROM- eller flashminne i uppdragskritiska tillämpningar. EEPROM- och flashenheter kräver betydande tid för databuffring under sina relativt långsamma skrivcykler. Den här extra fördröjningen i skrivcykeln leder till en period där data kan utsättas för risk och förloras helt vid strömavbrott innan åtgärden slutförs med den slutliga lässtatuskontrollen (figur 3).

Figur 3: Behovet av ökad förberedelsetid (markerat i rött) under EEPROM- eller flash-skrivåtgärder medför en relativt lång tid när data är utsatt för risk jämfört med F-RAM-enheter. (Bildkälla: Cypress Semiconductor)

För att hantera långsammare skrivcykler i EEPROM- eller flashminne har utvecklare som hoppas minska effekterna av strömavbrott varit tvungna att lägga till stora kondensatorer eller batterier tillsammans med lämpliga spänningsregulatorer för att bibehålla NVM-matningsspänningen länge nog för att slutföra skrivåtgärderna. F-RAM-enheter som Cypress Semiconductor Excelon-Auto-enheter däremot arbetar med busshastighet under skrivåtgärderna vilket minskar förlusten av kritiska data betydligt och eliminerar behovet av extra strömkällor i konstruktionen.

Fordonsklassade F-RAM-enheter

Med liknande egenskaper som serie-EEPROM- och serie-flashminnen är Excelon™-Auto F-RAM-enheter utformade för att uppfylla kraven i uppdragskritiska tillämpningar för tillförlitliga, högpresterande NVM. Fordonssystemkonstruktörer kan använda dessa AEC-Q100-kvalificerade enheter för att ersätta andra minnestyper och kan välja mellan CY15V102QN för tillförsel på 1,71 till 1,89 eller CY15B102QN för tillförsel på 1,8 till 3,6 volt. Båda är enheter på 2 megabit (Mbit), logiskt organiserade som 256 kbit x 8.

I drifttemperaturområdet från -40 °C till +125 °C har Excelon F-RAM ett datalagringsvärde som överskrider andra NVM-tekniker betydligt. Till exempel beräknas CY15x102QN kunna lagra data under 121 år vid drift på 85 °C. Eftersom datalagringen är omvänt proportionell mot temperaturen innebär det att F-RAM-enheterna om de tvingas arbeta i det övre området av de typiska motortemperaturerna, till exempel 95 °C, beräknas ha en lagringstid på 35 år.

När det gäller tillförlitlighet har F-RAM-enheter en läs-/skrivcykelhållbarhet på 10¹³, vilket är cirka sju tiopotenser större än ett typiskt EEPROM- eller flashminne. Det innebär att utvecklare som använder dessa F-RAM-enheter inte behöver implementera tekniker som slitageutjämning som distribuerar skrivningar över sektorerna för att hantera de begränsade skrivcykler som förknippas med andra NVM-tekniker.

Förenklad konstruktion med F-RAM

I en typisk konstruktion kan utvecklarna använda dessa enheter för att direkt ersätta eller komplettera andra typer av NVM-enheter som NOR-flash. I en ADAS-design, till exempel, kan utvecklarna kombinera en NOR-flashenhet som lagrar fast programvara med en Excelon F-RAM som tillförlitligt kan hantera flera dataströmmar från de många fordonsundersystem som tillför indata till ADAS-tillämpningarna (figur 4).

Figur 4: Fordons-ADAS-utvecklare kan kombinera Excelon F-RAM-enheter för lagring av kritiska data med NOR-flashenheter som normalt används för att lagra fast programvara eller konfigurationsdata i mikrostyrenhetsbaserade (MCU) konstruktioner. (Bildkälla: Cypress Semiconductor)

Utvecklarna kan enkelt införa Excelon F-RAM-enheter i en konstruktion genom att ansluta dem till värdprocessorns seriella perifera gränssnittsbuss (SPI). CY15x102QN F-RAMs är utformad för att fungera som en SPI-slavenhet och har stöd för SPI-klockfrekvenser upp till 50 megahertz (MHz). I en typisk maskinvarukonfiguration ansluter utvecklarna F-RAM:s serie in (SI) och serie ut (SO) till SPI masters MOSI- (Master Out Slave In ) och MISO-ledningar (Master In Slave Out ). Anslutningar till respektive serieklock- (SCK) och chipvalsledningar (/CS) kompletterar maskinvarugränssnittet. Utvecklarna kan kombinera flera enheter för att dela värdens SPI-buss (figur 5).

Figur 5: Utvecklarna kan använda en delad SPI-buss för att ansluta en värdprocessor med en eller fler CY15x102QN F-RAM. (Bildkälla: Cypress Semiconductor)

För MCU:er utan SPI-kapacitet stödjer CY15x102QN-enheter ett enkelt alternativ för att emulera SPI-maskinvarugränssnittet genom att använda mikrostyrenhetens universal-IO (GPIO) för att ansluta till F-RAM. Utvecklarna kan implementera det här gränssnittet med endast tre GPIO genom att använda samma stift för F-RAM:s SI- och SO-dataledningar (figur 6).

Figur 6: För en mikrostyrenhet utan inneboende SPI-kapacitet kan utvecklarna använda mikrostyrenhetens universella IO för att emulera SPI-protokollet för att komma åt en CY15x102QN-serie-F-RAM. (Bildkälla: Cypress Semiconductor)

I standard-SPI-protokollet inleder en master en transaktion genom att ställa /CS lågt. Efter att dess /CS ställts lågt tolkar F-RAM nästa byte som en operationskod. Till exempel följer en skrivoperation SPI-standardskrivoperationskoden (02h) med adress på tre byte och databyte (figur 7).

Figur 7: Cypress CY15x102QN F-RAM-enheter stöder standard-SPI-operationskoder och protokoll och gör det möjligt för utvecklarna att enkelt utföra skrivningar utan fördröjning genom att skicka skrivoperationskoden (02h), adress och data i följd. (Bildkälla: Cypress Semiconductor)

För 2 Mbit CY15x102QN F-RAM-enheter är adressen en följd på tre byte där de övre sex bitarna ignoreras. Cypress rekommenderar att ställa de övre sex bitarna på noll för att möjliggöra en enkel övergång till F-RAM-enheter med högre kapacitet i framtiden.

En läsoperation följer samma protokoll. Efter att ha tagit emot standardläsoperationskoden (03h) och adressen sänder F-RAM-enheten databyte sekventiellt på SO och ökar automatiskt minnesadressen medan /CS hålls låg och klocksignalerna fortsätter. Det innebär att utvecklarna kan utföra en bulkläsning genom att hålla /CS låg och fortsätta att utfärda SCK-klocksignaler tills det nödvändiga antalet databyte har lästs.

CY15x102QN F-RAMs har också stöd för en snabbläsfunktion som är kompatibel med serie-flashminne. Efter snabbläsoperationskoden (0Bh) och adressen skickar SPI-värden en tom byte för att emulera flash-läslatensen. När F-RAM har tagit emot den tomma byten svarar den med begärda data. Snabbläsoperationer kan också utföra bulkläsningar med samma mekanism som standardläsningar.

Skrivskydd

Tillsammans med SPI-gränssnittets kontrollogik ger CY15x102QN F-RAM-enheterna ytterligare mekanismer för att identifiera enheten och skrivskydda F-RAM-matrisen.

Utvecklarna kan utfärda SPI-operationskoder för att komma åt en CY15x102QN-enhetss skrivskyddade unika ID och enhets-ID som ger information som tillverkare, minnesdensitet och delrevision. Utvecklarna kan också ställa in ett läs/skriv-serienummerregister på åtta byte för att förknippa en F-RAM med ett särskilt system eller en särskild konfiguration.

För F-RAM-skydd tillhandahåller enheten både programvaru- och maskinvarumekanismer. För dataskydd under tillverkning har en dedikerad specialsektor på 256 byte utformats för att behålla dataintegriteten genom upp till tre standardåterflödeslödcykler. För skydd vid normal drift använder enheten en skrivaktiveringsspärr (WEL) för att skydda F-RAM-matrisen mot oavsiktlig skrivning. Vid start rensas WEL som standard vilket kräver att utvecklaren utfärdar operationskoden för skrivaktivering (WREN) (06h) innan skrivning utförs.

I enhetens statusregister tillåter ett par blockskyddsbitar (BP), BP0 och BP1, tillverkarna att skydda minnet i hela adressområdet (BP1=1, BP0=1), i endast den övre halvan av minnet (BP1=1, BP0=0), eller endast i den övre fjärdedelen av minnet (BP1=0, BP0=1).

Utvecklarna kan använda maskinvarans skrivskyddsstift (/WP) för att hindra programvaran från att modifiera BP-bitarna under normal drift. Här ställer utvecklarna in skrivskyddsaktiveringsbiten (WPEN) i statusregistret och skickar /WP-stift lågt för att låsa statusregistret.

Krafthantering

Vid normal drift leder den inneboende energieffektiviteten i F-RAM-tekniken typiskt till strömförbrukning för CY15V102QN (VDD 1,71 till 1,89 volt) vid endast 5,0 milliampere (mA) för användning vid den maximala klockfrekvensen 50 MHz. Utvecklarna kan reducera klockfrekvensen för ytterligare strömbesparingar, och minska strömförbrukningen till cirka 0,4 mA vid 1 MHz för CY15V102QN. Strömförbrukningen med CY15B102QN (VDD 1,8 till 3,6 volt) är endast något högre med 6,0 mA vid 50 MHz och 0,5 mA vid 1 MHz.

Under längre perioder av inaktivitet minskar utvecklarna strömförbrukningen betydligt genom att använda SPI-operationskoder för att ställa in CY15x102QN-enheter i tre lågeffektlägen:

• Standbyläge med typisk strömförbrukning på 2,7 mikroampere (μA) för CY15V102QN eller 3,2 μA för CY15B102QN
• Djupt avstängningsläge vid 1,1 μA för CY15V102QN eller 1,3 μA för CY15B102QN
• Viloläge vid 0,1 μA för endera av de två delarna

CY15x102QN-enheterna växlar automatiskt till standbyläge när SPI-värden ställer /CS i högt läge i slutet av en operationskodsekvens. För att växla enheten till djupt avstängningsläge eller viloläge använder SPI-värden SPI-operationskodprotokollet. SPI-värden växlar specifikt till ett av de två lägsta strömlägena genom att först ställa /CS lågt och därefter skicka en särskild operationskod för djupavstängning (BAh) eller viloläge (B9h) och slutligen ställs /CS högt (figur 8).

Figur 8: Medan CY15x102QN F-RAM-enheterna automatiskt går till standbyläge efter en operationskodsekvens kan utvecklarna placera dem i ännu lägre effektlägen som djupt avstängningsläge (DPD) med den normala SPI-operationskodsproceduren. (Bildkälla: Cypress Semiconductor)

När SPI-värden ställer /CS högt efter att ha skickat den lämpliga lågeffektoperationskoden går CY15x102QN F-RAM till det begärda lågeffektläget inom cirka 3 μs.

Från standbyläge återgår Cypress F-RAM-enheterna omedelbart till aktivt läge när /CS ställs lågt för att initiera näste operationskodsekvens. Från djupt avstängningsläge eller viloläge återgår F-RAM-enheterna även till aktivt läge efter att /CS blir lågt, men med en kort fördröjning på cirka 10 μs för djupt avstängningsläge eller 450 μs från viloläge.

Slutsats

Behovet av tillförlitligt, snabbt, högpresterande NVM med låg effekt har blivit allt viktigare i en stor uppsättning tillämpningar som bygger på data från en växande uppsättning sensorer. I uppdragskritiska områden som fordons-ADAS-tillämpningar kan dataförlusten avsevärt försämra säkerhetsmekanismerna som är utformade för att skydda fordonet och dess passagerare.

Med F-RAM-enheter från Cypress Semiconductor kan utvecklarna enkelt lägga till NVM som kan lagra kritiska data tillförlitligt i årtionden utan att kompromissa med prestanda eller lågeffektkrav.