Verwendung von MRAM zur Verbesserung der Zuverlässigkeit, zur Senkung der Latenzzeiten und zur Reduzierung des Stromverbrauchs für Edge-Computing

Der Einsatz von Edge-Computing nimmt in Bereichen wie dem industriellen Internet der Dinge (IIoT), Robotik, medizinische Geräte, Wearables, künstliche Intelligenz, Automobilelektronik und tragbare Designs zu. Mit diesem Wachstum geht der Bedarf an schnellem, nichtflüchtigem Speicher mit niedriger Latenz, geringem Stromverbrauch und niedrigen Kosten für Anwendungen wie Programmspeicherung und Datensicherung einher. Zwar stehen viele Optionen zur Verfügung, darunter statischer Arbeitsspeicher (SRAM), dynamischer RAM (DRAM), Flash und elektrisch löschbarer programmierbarer Festwertspeicher (EEPROM), aber jede dieser weit verbreiteten Technologien erfordert Kompromisse in einem oder mehreren Bereichen, so dass sie für Edge-Computing nicht gerade ideal sind.

Stattdessen können Entwickler auf magnetoresistive Arbeitsspeicher (MRAMs) zurückgreifen. MRAM-Komponenten speichern, wie der Name schon sagt, Daten in magnetischen Speicherelementen und bieten echten wahlfreien Zugriff, so dass sowohl Lese- als auch Schreibvorgänge wahlfrei im Speicher erfolgen können. Ihre Struktur und ihr Betrieb sind so ausgelegt, dass sie sich durch eine geringe Latenz, geringe Verluste, eine hohe Anzahl von Schreibzyklen und eine hohe Haltezeit auszeichnen, was für Edge-Computing äußerst wünschenswert ist.

Dieser Artikel vergleicht kurz die Leistungsfähigkeit gängiger Speichertechnologien wie EEPROM, SRAM und Flash mit MRAM. Anschließend werden die Vorteile des Einsatzes von MRAM in verschiedenen Edge-Computing-Anwendungen erörtert und dann spezifische MRAM-Bausteine von Renesas Electronics, einige Tipps zur Verwendung von MRAM sowie eine Evaluierungsplattform vorgestellt, die Entwicklern den Einstieg erleichtern soll.

Vergleich von Speichertechnologien

Den Entwicklern von Edge-Computing-Anwendungen stehen mehrere Speichertechnologien zur Auswahl, von denen jede unterschiedliche Leistungsmerkmale und Kompromisse bietet (Abbildung 1). DRAM stellt während der Software-Ausführung meist den Arbeitsspeicher für verschiedene Prozessortypen zur Verfügung. Er ist kostengünstig, relativ langsam (im Vergleich zu SRAM), verbraucht erhebliche Mengen an Strom und speichert Daten nur so lange, wie Strom fließt. Darüber hinaus sind DRAM-Speicherzellen anfällig für Beschädigungen durch Strahlung.

SRAM ist schneller und teurer als DRAM. Er wird häufig als Cache-Speicher für Prozessoren verwendet, während DRAM den Hauptspeicher bereitstellt. Er ist der leistungshungrigste der hier beschriebenen Speicher, und wie DRAM ist es ein flüchtiger Speicher. SRAM-Zellen sind anfällig gegenüber Beschädigungen durch Strahlung, aber sowohl DRAM als auch SRAM bieten eine hohe Ausdauer.

EEPROM ist ein nichtflüchtiger Speicher, der zum Löschen der Daten eine extern angelegte Spannung benötigt. EEPROMs sind langsam, haben eine begrenzte Lebensdauer - typischerweise bis zu einer Million Zyklen - und sind relativ energiehungrig. EEPROM ist derzeit die am wenigsten verwendete der hier beschriebenen Speichertechnologien.

Flash ist eine Variante von EEPROM, mit wesentlich mehr Speicherkapazität und mit schnelleren Lese-/Schreibgeschwindigkeiten, aber immer noch relativ langsam. Flash ist kostengünstig, und die Daten überleben im ausgeschalteten Zustand bis zu 10 Jahre. Allerdings ist die Verwendung von Flash im Vergleich zu anderen Speichertypen komplexer. Daten müssen in Blöcken gelesen werden und können nicht Byte für Byte gelesen werden. Außerdem müssen Zellen gelöscht werden, bevor sie neu beschrieben werden können. Die Löschung muss blockweise erfolgen, d. h. nicht Byte für Byte.

MRAM ist ein echter Speicher mit wahlfreiem Zugriff, der sowohl Lese- als auch Schreibvorgänge wahlfrei im Speicher zulässt. MRAM weist im Standby-Modus keine Verluste auf und kombiniert die Fähigkeit, 10¹⁶ Schreibzyklen zu überstehen, mit einer Datenhaltezeit von mehr als 20 Jahren bei 85 °C. Er wird derzeit in einer Speicherdichte von 4 Megabit (Mbit) bis 16 Mbit angeboten.

Die MRAM-Technologie entspricht der Flash-Technologie mit SRAM-kompatiblem Lese-/Schreib-Timing (MRAM wird manchmal auch als persistenter SRAM (P-SRAM) bezeichnet). Aufgrund seiner Eigenschaften eignet sich MRAM besonders für Anwendungen, die Daten mit minimaler Latenzzeit speichern und abrufen müssen. Er kombiniert diese niedrige Latenzzeit mit geringer Leistungsaufnahme, unendlicher Lebensdauer, Skalierbarkeit und Nichtflüchtigkeit. Die inhärente Immunität von MRAM gegenüber Alphateilchen macht es auch für Geräte geeignet, die regelmäßig Strahlung ausgesetzt sind.

Abbildung 1: MRAM ist wie Flash und EEPROM nichtflüchtig und bietet ein SRAM-kompatibles Lese-/Schreib-Timing. (Bildquelle: Renesas Electronics)

Funktionsweise von MRAM

Wie der Name schon sagt, werden die Daten im MRAM von magnetischen Speicherelementen gespeichert. Die Elemente bestehen aus zwei ferromagnetischen Platten, von denen jede eine Magnetisierung halten kann, getrennt durch eine dünne Isolierschicht. Diese Struktur wird als magnetischer Tunnelübergang (MTJ) bezeichnet. Eine der beiden Platten ist ein Permanentmagnet, der während der Herstellung auf eine bestimmte Polarität eingestellt wird; die Magnetisierung der anderen Platte kann geändert werden, um Daten zu speichern. Renesas Electronics hat vor kurzem MRAM-Bausteine hinzugefügt, die ein proprietäres STT-MRAM (Spin Transfer Torque MRAM) verwenden, das auf einem senkrechten magnetischen Tunnelübergang (p-MTJ) basiert. Das p-MTJ enthält eine feste und unveränderliche magnetische Schicht, eine dielektrische Barriereschicht und eine veränderliche ferromagnetische Speicherschicht (Abbildung 2).

Abbildung 2: Die Basiszelle von STT-MRAM besteht aus einem MTJ und einem Zugriffstransistor. (Bildquelle: Avalanche Technology)

Während eines Programmiervorgangs wird die magnetische Ausrichtung der Speicherschicht je nach Stromrichtung durch das p-MTJ-Element elektrisch von einem parallelen Zustand (niederohmiger Zustand „0“) in einen antiparallelen Zustand (hochohmiger Zustand „1“) oder umgekehrt geschaltet. Diese beiden unterschiedlichen Widerstandszustände werden für die Datenspeicherung und -erfassung verwendet.

MRAM-Anwendungsfälle

Datenprotokollierung, Speicher in IoT-Knoten, maschinelles Lernen/künstliche Intelligenz in Edge-Computing-Geräten und RFID-Tags in Krankenhäusern sind Beispiele für MRAM-Anwendungsfälle.

Datenlogger benötigen mehrere Megabit nichtflüchtigen Speicher, um eine langfristige Akkumulation von Daten zu ermöglichen. Sie sind in der Regel batteriebetrieben, können sich aber auch auf das Energy Harvesting stützen und benötigen daher Speicher mit geringem Stromverbrauch. Im Falle eines Stromausfalls müssen die aufgezeichneten Daten auf unbestimmte Zeit gehalten werden. MRAM erfüllt die Leistungsanforderungen von Datenloggern.

Die MRAM-Persistenz, kombiniert mit einem extrem energiesparenden Modus, ermöglicht eine einheitliche Speicherlösung für Code und Daten in IoT-Knoten, die von Energy Harvestern oder Batteriequellen in extrem kleinen Formfaktoren betrieben werden (Abbildung 3). Die Anlaufzeit ist bei IoT-Knoten oft ein wichtiger Gesichtspunkt. Die Implementierung einer Code-in-Place-Struktur mit MRAM kann die zum Hochfahren erforderliche Zeit sowie die Gesamtkosten für die Stückliste reduzieren, da weniger DRAM oder SRAM benötigt werden.

Abbildung 3: Die Geschwindigkeit, Lebensdauer und Datenhaltezeit von MRAM helfen ihm, die Speicheranforderungen von IoT-Knoten zu erfüllen. (Bildquelle: Avalanche Technology)

Die Persistenz, die MRAM bietet, ermöglicht auch eine neue Generation von IoT-Knoten, die zum maschinellen Lernen fähig sind, wobei die Inferenzalgorithmen nicht jedes Mal nach dem Wecken des Geräts neu geladen werden müssen. Die lokale Verarbeitung umfasst die Analyse von Sensordaten, das Treffen von Entscheidungen und in einigen Fällen sogar die Rekonfiguration des Knotens. Diese lokalisierte Intelligenz erfordert einen persistenten und energieeffizienten Speicher. Diese Komponenten können lokale grobe Inferenz in Echtzeit implementieren und die Cloud für eine präzisere Analyse nutzen.

Die Geschwindigkeit von MRAM ist vorteilhaft für die Implementierung von maschinellem Lernen in Netzwerkrandknoten wie ERP-Systemen (Enterprise Resource Planning), MES (Manufacturing Execution Systems) und SCADA-Systemen (Supervisory Control and Data Acquisition). In diesen Systemen werden Daten analysiert und Zwischenmuster identifiziert und mit angrenzenden Bereichen geteilt. Die Architektur am Netzwerkrand erfordert Verarbeitungsgeschwindigkeit und persistenten Speicher.

Entwickler können MRAM auch in Geräten im Gesundheitswesen einsetzen, wo die Radiofrequenz-Identifikation (RFID) von Vorteil sein kann. Sein geringer Stromverbrauch, kombiniert mit seiner Strahlungsunempfindlichkeit, macht ihn für Krankenhausumgebungen geeignet. RFID-Etiketten werden in Krankenhäusern aus einer Vielzahl von Gründen eingesetzt, u. a. für die Bestandsverwaltung, die Patientenversorgung und -sicherheit, die Identifizierung medizinischer Geräte sowie die Identifizierung und Überwachung von Verbrauchsmaterialien.

Leistungsstarker serieller MRAM-Speicher

Entwickler von Edge-Computing-Systemen einschließlich industrieller Steuerungen und Automatisierung, medizinischer Geräte, Wearables, Netzwerksystemen, Speicherung/RAID, Automobilelektronik und Robotik können den M30082040054X0IWAY von Renesas verwenden (Abbildung 4). Er wird in Speicherdichten von 4 Mbit bis 16 Mbit angeboten. Die MRAM-Technologie von Renesas entspricht der Flash-Technologie mit SRAM-kompatiblem Lese-/Schreib-Timing. Die Daten sind immer nichtflüchtig mit einer Lebensdauer von 10¹⁶ Schreibzyklen und einer Haltezeit von mehr als 20 Jahren bei 85 °C.

Der M30082040054X0IWAY verfügt über eine serielle Peripherieschnittstelle (SPI), wodurch die Notwendigkeit von Software-Gerätetreibern entfällt. SPI ist eine synchrone serielle Schnittstelle, die für eine perfekte Synchronisierung von Host und Slave separate Leitungen für Daten und Takt verwendet. Der Taktgeber teilt dem Empfänger genau mit, wann er die Bits auf der Datenleitung abtasten soll. Dies kann entweder bei steigender (Low-Pegel zu High-Pegel) oder bei fallender (High-Pegel zu Low-Pegel) Flanke oder auch bei beiden Flanken des Taktsignals sein.

Abbildung 4: Der M30082040054X0IWAY bietet sowohl hardware- als auch softwarebasierte Datensicherung. Der Hardwareschutz erfolgt über den WP#-Pin. Der Softwareschutz wird durch Konfigurationsbits im Statusregister gesteuert. Beide Optionen unterdrücken das Schreiben in die Register und den Speicherbereich. (Bildquelle: Renesas)

Der M30082040054X0IWAY unterstützt eXecute-In-Place (XIP), was die Ausführung einer Reihe von Lese- und Schreibbefehlen ermöglicht, ohne dass der Lese- oder Schreibbefehl für jeden Befehl einzeln geladen werden muss. So reduziert der XIP-Modus den Befehls-Overhead und reduziert die Zeit für wahlfreie Lese- und Schreibzugriffe.

Der M30082040054X0IWAY bietet sowohl hardware- als auch softwarebasierte Datensicherung. Der Hardwareschutz erfolgt über den WP#-Pin. Der Softwareschutz wird durch Konfigurationsbits im Statusregister gesteuert. Beide Optionen unterdrücken das Schreiben in die Register und den Speicherbereich. Der Baustein verfügt über ein erweitertes 256-Byte-Speicherarray (Augmented Storage Array), das unabhängig vom Hauptspeicherarray ist. Es ist benutzerprogrammierbar und kann gegen unbeabsichtigtes Schreiben geschützt werden.

Um Anwendungen mit geringem Stromverbrauch noch besser unterstützen zu können, verfügt der M30082040054X0IWAY über zwei Modi mit geringerer Leistungsaufnahme: Deep Power Down und Hibernate. Daten gehen nicht verloren, solange sich das Gerät in einem dieser beiden Niedrigleistungsmodi befindet. Darüber hinaus behält die Komponente alle ihre Konfigurationen bei.

Der Baustein ist in einem 8-poligen DFN- (WSON) und einem 8-poligen SOIC-Gehäuse mit kleinem Footprint erhältlich. Die Komponenten sind mit ähnlichen flüchtigen und nichtflüchtigen Produkten mit geringer Leistungsaufnahme kompatibel. Sie werden mit industriellen (-40 °C bis 85 °C) und erweiterten industriellen (-40 °C bis 105 °C) Betriebstemperaturbereichen angeboten.

Verwendung von MRAM

MRAM kann den Gesamtenergieverbrauch im Vergleich zu anderen Speichertechnologien erheblich reduzieren. Die Höhe der Energieeinsparungen kann jedoch je nach den Nutzungsmustern des spezifischen Anwendungsdesigns variieren. Wie bei anderen nichtflüchtigen Speichern ist der Schreibstrom viel höher als der Lese- oder Standby-Strom. Infolgedessen müssen die Schreibzeiten bei leistungskritischen Anwendungen minimiert werden, insbesondere bei Designs, die häufige Schreibvorgänge in den Speicher erfordern. Die kürzeren Schreibzeiten von MRAM können diese Überlegung mildern und den Energieverbrauch im Vergleich zu anderen nichtflüchtigen Speichern wie EEPROM oder Flash verringern.

Zusätzliche Energieeinsparungen sind mit MRAM möglich, wenn eine Systemarchitektur mit Leistungssteuerung verwendet wird und der Speicher so oft wie möglich in den Standby-Modus versetzt wird. Die schnellere Einschaltzeit von MRAM ermöglicht es, MRAM häufiger in den Standby-Modus zu versetzen als andere nichtflüchtige Speicher. Auch die Tatsache, dass MRAM im Standby-Modus keine Verluste aufweist, ist hier eine Hilfe. Beachten Sie, dass häufig ein größerer Entkopplungskondensator erforderlich ist, um den Energiebedarf beim Einschalten zu unterstützen, wenn die Leistungssteuerung verwendet wird.

MRAM-Evaluierungsboard

Um Entwicklern den Einstieg in die Arbeit mit dem M30082040054X0IWAY zu erleichtern, bietet Renesas das Evaluierungskit M3016-EVK an. Es enthält den 16-Mbit-MRAM und ermöglicht es Anwendern, interaktive Hardware-Lösungen unter Verwendung des beliebten Arduino-Boards zu entwickeln (Abbildung 5). Das Plug-n-Play-Kit enthält ein Arduino-Host-Board und Terminal-Emulator-Software, die mit der USB-Schnittstelle des PC-Computers kommuniziert. Das Evaluierungsboard wird über die UNO-R3-Steckleisten auf das Arduino-UNO-Host-Board montiert. Die zur Verfügung gestellten Testprogramme ermöglichen es den Anwendern, die Funktionalität der MRAM-Komponente schnell zu evaluieren.

Abbildung 5: Das Evaluierungskit M3016-EVK wird auf ein Arduino-UNO-Host-Board montiert, um eine schnelle Evaluierung der MRAM-Performance zu ermöglichen. (Bildquelle: Renesas)

Fazit

Der Entwurf von hochmodernen Computergeräten mit herkömmlichen Speichertechnologien wie DRAM, SRAM, Flash und EEPROM erfordert eine Reihe von Kompromissen, die die Performance einschränken können. Für das Edge-Computing können Entwickler auf kürzlich eingeführte MRAMs zurückgreifen, die einen echten wahlfreien Zugriff bieten, bei dem sowohl Lese- als auch Schreibvorgänge wahlfrei im Speicher erfolgen können.

Wie gezeigt, erfüllt MRAM die Speicheranforderungen der Entwickler von Edge-Computeranwendungen, darunter: ein Baustein, der Daten ohne große Latenzzeiten speichern und abrufen kann, geringer Stromverbrauch aufgrund von Verlustfreiheit im Standby-Modus und die Fähigkeit, 10¹⁶ Schreibzyklen mit einer Datenhaltezeit von mehr als 20 Jahren bei 85 °C zu überstehen.

Empfohlene Lektüre

1. Intelligente Sicherheitssysteme mit Edge-Computing