Utilizzare la FeRAM per realizzare dispositivi alimentati a batteria, con storage a lungo termine e a bassissimo consumo energetico

Lo storage dei dati a lungo termine è un requisito sempre più importante nei dispositivi mobili alimentati a batteria progettati per il settore consumer, industriale e per altri segmenti. Tecnologie di memoria non volatile (NVM) tradizionali come la memoria flash o la EEPROM (memoria di sola lettura programmabile cancellabile elettricamente) hanno soddisfatto questa esigenza nelle prime generazioni dei prodotti.

Per i prodotti mobili avanzati di oggi, tuttavia, le aspettative degli utenti relative a un'autonomia sempre più estesa delle batterie hanno fortemente limitato le opzioni in grado di fornire storage affidabile senza compromettere le prestazioni dei progetti o la potenza disponibile.

Questo articolo presenta la famiglia di FeRAM (memoria ad accesso casuale ferroelettrica) Excelon di Cypress Semiconductor e mostra come usarla per rispondere ai requisiti di memorizzazione a lungo termine in dispositivi alimentati a batteria.

Le sfide dello storage nei dispositivi portatili

Nella progettazione di dispositivi indossabili, IoT e di altri prodotti portatili, la necessità di un storage capiente non volatile va di pari passo con le maggiori capacità di questi prodotti. Il desiderio degli utenti di informazioni più complete ha portato a integrare in questi progetti più tipi di sensori che operano a risoluzioni più elevate e con velocità di aggiornamento superiori. Da questi sofisticati prodotti gli utenti si aspettano però anche un'ampia visione dei dati storici e delle tendenze, non solo una semplice istantanea dei dati correnti dei sensori. In particolare, il dispositivo deve essere in grado di produrre questa serie di dati su richiesta, senza una connessione attiva al cloud, allo smartphone o ad altri dispositivi esterni.

I progettisti che cercano di soddisfare questi requisiti di base con le tecnologie NVM convenzionali devono affrontare non poche difficoltà, specie nei progetti con risorse energetiche limitate. Molte tecnologie NVM hanno tempi di scrittura intrinsecamente molto più lenti della RAM perché per completare il processo di programmazione servono cicli estesi. La EEPROM convenzionale può avere tempi di scrittura di diversi millisecondi. Anche nel caso di una memoria flash avanzata, le prestazioni sono rallentate perché durante i cicli di scrittura serve un "tempo di assorbimento" supplementare. Cicli di scrittura più lunghi significano poi un maggiore consumo di corrente e al contempo una ridotta velocità di aggiornamento dei dati. Inoltre, i dispositivi NVM convenzionali hanno in genere specifiche di cicli di scrittura limitati. Se utilizzati con i cicli di scrittura ripetuti richiesti per lo storage abituale dei dati, i dispositivi potrebbero usurarsi nel corso della vita utile del prodotto.

Per una gamma crescente di prodotti alimentati a batteria, i dispositivi NVM FeRAM offrono una soluzione più semplice per la memorizzazione a lungo termine, infatti assicurano la combinazione richiesta di velocità, durata e funzionamento a basso consumo. I tipici dispositivi FeRAM hanno tempi dei cicli di scrittura/cancellazione e di scrittura molto superiori alla EEPROM e alla memoria flash e, per velocità, si avvicinano persino alla RAM statica (SRAM). Infatti, la FeRAM combina i vantaggi prestazionali della RAM convenzionale con la capacità di storage non volatile di altre tecnologie NVM. Fra le soluzioni FeRAM, la serie Excelon LP di Cypress Semiconductor si spinge oltre, riuscendo a soddisfare il requisito fondamentale di consumo energetico ultrabasso nei prodotti indossabili alimentati a batteria e in altri prodotti mobili.

FeRAM a bassissimo consumo energetico

I dispositivi FeRAM Excelon LP di Cypress sono sottosistemi di memoria non volatile integrati che combinano un array FeRAM, registri, logica di controllo e interfaccia e un settore speciale progettato per preservare i contenuti fino a tre cicli standard di saldatura a rifusione (Figura 1).

Figura 1: I dispositivi FeRAM Excelon LP di Cypress Semiconductor integrano un array FeRAM e circuiti di supporto per fornire un sottosistema di memoria completo accessibile tramite porte SPI standard. (Immagine per gentile concessione di Cypress Semiconductor)

I dispositivi FeRAM Excelon LP offrono un livello di affidabilità a lungo termine che supera di gran lunga la tipica EEPROM o la memoria flash. Hanno 10¹⁵ cicli di lettura/scrittura e una conservazione dei dati di 151 anni, superiore quindi al ciclo di vita realistico di qualsiasi dispositivo indossabile o IoT.

Le loro prestazioni di scrittura migliorano anche l'affidabilità complessiva delle applicazioni. Scrivendo i dati sull'array FeRAM non volatile alla velocità del bus, al contrario di altri tipi di dispositivi NVM riducono notevolmente la possibilità che vadano persi. In questi dispositivi, i tempi di scrittura molto più lunghi e la conseguente necessità di bufferizzare internamente i dati creano una grande finestra di vulnerabilità in cui i dati potrebbero andare persi se l'alimentazione si interrompe prima della fine della sequenza di scrittura.

Diversamente da altre tecnologie NVM, i dispositivi FeRAM Excelon LP funzionano a livelli di corrente minimi, tali da prolungare l'autonomia della batteria dei prodotti portatili. Operando a 20 MHz, la serie FeRAM LP da 8 Mb CY15x108QI di Cypress consuma solo 1,3 mA, mentre quella da 4 Mb CY15x104QI consuma solo 1,2 mA. Come illustrato più dettagliatamente di seguito, i dispositivi offrono agli sviluppatori anche numerose opzioni per ridurre ulteriormente il consumo di corrente.

Progettati per supportare un'ampia gamma di requisiti di sistema, i membri della famiglia Excelon LP sono disponibili con intervalli di temperatura sia commerciali che industriali e con diverse tensioni di alimentazione. Ad esempio, CY15V104QI da 4 Mb e CY15V108QI da 8 Mb funzionano con una tensione di alimentazione tra 1,71 e 1,89 V, mentre CY15B104QI da 4 Mb e CY15B108QI da 8 Mb sono progettati per funzionare con un'alimentazione tra 1,8 e 3,6 V.

Progettazione di un sistema semplice

Oltre a garantire il pieno rispetto dei requisiti operativi di varie applicazioni, questi dispositivi semplificano la progettazione del sistema. In un progetto tipico, gli sviluppatori utilizzerebbero un bus SPI (interfaccia periferica seriale) per collegare uno o più dispositivi FeRam Excelon LP come slave SPI a un master SPI come un microcontroller (Figura 2).

Figura 2: Gli sviluppatori possono aggiungere uno o più dispositivi FeRAM Excelon LP di Cypress Semiconductor al bus SPI controllato da un master SPI come un microcontroller. (Immagine per gentile concessione di Cypress Semiconductor)

Le transazioni attraverso il bus SPI di interconnessione sono semplici e veloci. Quando scrivono nella memoria, i dispositivi FeRAM Excelon LP funzionano senza gli ulteriori ritardi riscontrati in precedenza con le tecnologie flash o EEPROM. Infatti, quando ogni byte raggiunge il dispositivo attraverso il bus SPI, viene scritto subito nell'array FeRAM, riducendo significativamente il rischio di perdita di dati per un'improvvisa interruzione di corrente.

Per lo sviluppatore del sistema, il processo di scrittura segue un semplice protocollo SPI che coinvolge codici operativi SPI standard del settore (opcode). Il processore host inizia ogni sequenza di scrittura trasmettendo un opcode di abilitazione alla scrittura (WREN) (06h), alzando e poi abbassando la linea chip-select (ØCS). Dopo questa breve fase di inizializzazione, il processore host inizia l'operazione di scrittura trasmettendo un opcode di scrittura (02h) seguito da un indirizzo a 24 bit. (In questi dispositivi i quattro bit superiori dell'indirizzo vengono ignorati, ma garantiscono la compatibilità con i futuri dispositivi FeRAM a densità più elevata.) Subito dopo l'invio dell'indirizzo, il processore host può iniziare a trasferire i byte di dati (Figura 3).

Figura 3: Durante la sequenza di scrittura SPI standard, i dispositivi FeRAM Excelon LP di Cypress Semiconductor scrivono immediatamente i dati nell'array FeRAM senza i ritardi del buffer o del tempo di assorbimento associati alle precedenti tecnologie NVM. (Immagine per gentile concessione di Cypress Semiconductor)

Man mano che il processore host invia byte di dati, il dispositivo FeRAM incrementa automaticamente l'indirizzo interno a condizione che il processore host mantenga bassa la linea ØCS e continui a trasmettere segnali di clock. I progettisti possono quindi utilizzare i dispositivi FeRAM Excelon LP in progetti che richiedono qualsiasi combinazione di scrittura a byte singolo e scrittura in blocco.

Le operazioni di lettura seguono un protocollo SPI simile. Dopo aver abbassato ØCS, il processore host trasmette un opcode di lettura (03h) e l'indirizzo a 24 bit. Il dispositivo FeRAM Excelon LP risponde immediatamente trasmettendo i byte di dati sulla linea SO a ogni ciclo di clock SCK. Come le operazioni di scrittura, anche quelle di lettura proseguono finché il processore host mantiene basso ØCS e continua a emettere clock SCK.

Estendere la durata della batteria

Oltre a requisiti semplici di progettazione del sistema, queste FeRAM a basso consumo offrono agli sviluppatori opzioni per ridurre il consumo di corrente e prolungare la durata della batteria. Progettati espressamente per applicazioni alimentate a batteria, i dispositivi CY15x10xQI di Cypress integrano circuiti di controllo della corrente di inserzione che riducono le correnti relativamente elevate che di solito vengono generate durante l'accensione dei dispositivi NVM.

I dispositivi FeRAM Excelon LP di Cypress consentono inoltre agli sviluppatori di utilizzare diverse strategie per prolungare la durata della batteria in dispositivi indossabili e progetti IoT che utilizzano sensori per monitorare l'andamento relativamente lento degli eventi del mondo reale. In questi progetti, di solito i dispositivi FeRAM Excelon LP di Cypress sono in grado di funzionare con una frequenza di clock inferiore che riduce il consumo di corrente. Ad esempio, quando funziona con un clock a 1 MHz, il consumo di corrente di CY15V108QI da 8 Mb scende a 300 µA rispetto a 1,3 mA con un clock a 20 MHz. CY15V104QI da 4 Mb richiede solo 200 µA a 1 MHz rispetto a 1,2 mA a 20 MHz.

Utilizzando le speciali modalità a basso consumo energetico disponibili con i dispositivi FeRAM Excelon LP, gli sviluppatori possono ridurre ulteriormente il consumo energetico del sistema durante i periodi di inattività che caratterizzano normalmente le applicazioni di prodotti e IoT. Questi dispositivi FeRAM supportano tre modalità di consumo ridotto che consentono agli sviluppatori di trovare il giusto compromesso tra i tempi di risposta e un consumo di corrente ridotto.

I dispositivi entrano automaticamente nella prima modalità a basso consumo, la modalità standby, ogni volta che ØCS viene alzato per terminare una sequenza SPI. Escono invece automaticamente dalla modalità standby quando ØCS viene abbassato per iniziare una nuova sequenza SPI. In modalità standby, la FeRAM Excelon LP CY15V108QI a 8 Mb consuma solo 3,5 µA e CY15V104QI a 4 Mb richiede solo 2,3 µA.

La modalità standby fornisce una riduzione immediata e automatica della corrente senza imporre ulteriori ritardi per tornare alla modalità attiva normale. Per applicazioni con periodi di inattività prolungati, tuttavia, a lungo andare anche questo consumo di corrente diminuisce inutilmente la durata della batteria. Per questi casi, i dispositivi FeRAM Excelon LP forniscono due modalità aggiuntive di basso consumo: spegnimento profondo e ibernazione.

A differenza della modalità standby predefinita, quelle di spegnimento profondo e di ibernazione vengono attivate esplicitamente tramite l'uso di opcode SPI speciali. Analogamente alle operazioni di lettura e scrittura delle operazioni SPI, il master SPI emette un opcode (BAh) di spegnimento profondo (DPD) o un opcode (B9h) di ibernazione (HBN) per comandare al dispositivo FeRAM di entrare nella corrispondente modalità a basso consumo (Figura 4).

Figura 4: Gli sviluppatori possono usare i protocolli SPI standard per mettere i dispositivi FeRAM Excelon LP di Cypress Semiconductor in modalità di spegnimento profondo (DPD) o di ibernazione (HIB). Queste modalità riducono significativamente il consumo di corrente ma portano a ritardi diversi per entrare (t_ENTxxx) e uscire (t_EXTxxx) dalla rispettiva modalità. (Immagine per gentile concessione di Cypress Semiconductor)

L'effetto di queste modalità è notevole, con un consumo di corrente inferiore a 1 µA (Tabella 1). Nonostante riducano in modo significativo il consumo di corrente del dispositivo, queste modalità presentano un compromesso che può incidere sulle operazioni che riguardano dati sensibili al fattore tempo. Le modalità a basso consumo basate su opcode DPD e HIB impongono ulteriori ritardi associati al tempo richiesto per entrare nella modalità (t_ENTDPD o t_ENTHIB) e a quello richiesto per uscirne (t_EXTDPD o t_EXTHIB) (Tabella 1 e Figura 4).

Tabella 1: Consumo di corrente nelle modalità di potenza della FeRAM Excelon LP e relativi ritardi per entrare (t_ENTDPD o t_ENTHIB) o uscire (t_EXTDPD o t_EXTHIB) dalle modalità di spegnimento profondo o di ibernazione basate su opcode. I numeri si riferiscono a versioni commerciali a bassa tensione con intervallo di alimentazione tra 1,71 e 1,89 V e intervallo della temperatura di funzionamento tra 0 °C e +70 °C. (Dati tratti dalle schede tecniche della FeRAM Excelon LP di Cypress)

Quando usano le modalità a basso consumo energetico basate su opcode, gli sviluppatori devono bilanciare i conseguenti vantaggi di un consumo di corrente ridotto rispetto al tempo richiesto per entrare e uscire dalle modalità. Qualsiasi sistema che entra in periodi di inattività prolungati è un probabile candidato per entrambe le modalità, ma la scelta specifica fra le due dipende soprattutto dal ciclo di lavoro previsto per il funzionamento del dispositivo FeRAM durante i periodi attivi. Per i dispositivi FeRAM che devono operare con un ciclo di lavoro elevato, entrare e uscire ripetutamente da una modalità a basso consumo potrebbe essere controproducente. Ad esempio, Cypress suggerisce che qualsiasi applicazione con un periodo di inattività di 10 secondi o più è un ottimo candidato per la modalità di ibernazione.

Conclusione

L'emergente necessità di memorizzazione dei dati a lungo termine nei dispositivi indossabili alimentati a batteria e in quelli IoT spinge gli sviluppatori a cercare dispositivi NVM che offrano un basso consumo energetico senza le limitazioni di prestazioni associate a tecnologie NVM convenzionali come EEPROM e memoria flash. Grazie alla velocità e all'affidabilità della tecnologia FeRAM, i dispositivi FeRAM Excelon LP di Cypress Semiconductor combinano i loro requisiti intrinseci di corrente ridotta con modalità a basso consumo programmabili che possono ridurre il loro consumo di corrente a meno di un microampere. Con le FeRAM Excelon LP di Cypress, gli sviluppatori possono integrare rapidamente nei progetti alimentati a batteria la memorizzazione dei dati a lungo termine che offre la velocità della memoria ad accesso casuale tradizionale e la capacità di conservare i dati in modo affidabile per oltre 150 anni.