Utilizzare la memoria ferroelettrica per migliorare l'affidabilità delle applicazioni in campo automotive

La memoria non volatile (NVM) svolge un ruolo chiave in quasi tutti i progetti di sistemi embedded, ma molti di essi hanno requisiti di memoria non volatile sempre più rigorosi in termini di velocità di accesso, conservazione dei dati e basso consumo. In particolare nel caso delle applicazioni automotive, per le quali i progettisti stanno cercando di realizzare funzionalità più aggiornate come i sistemi avanzati di assistenza alla guida (ADAS) che rivestono un'importanza cruciale.

Per garantire il funzionamento sicuro e affidabile di questi sistemi, i progettisti dovrebbero prendere in maggiore considerazione la memoria ad accesso casuale ferroelettrica (FeRAM) come opzione NVM di livello automotive a basso consumo, più affidabile e veloce rispetto alle attuali soluzioni NVM.

Questo articolo illustra le caratteristiche chiave della tecnologia FeRAM e descrive come gli sviluppatori possono utilizzare due soluzioni FeRAM di Cypress Semiconductor per migliorare l'affidabilità di ADAS e utilizzare i sistemi ADAS come proxy per inserire la FeRAM in altre applicazioni mission-critical.

Requisiti NVM per il settore automotive

Le applicazioni di sicurezza automotive esemplificano perfettamente la tendenza del settore verso l'integrazione di sensori più avanzati con una risoluzione superiore e velocità di aggiornamento più elevate. Sottosistemi automotive come ADAS, unità di controllo elettronico (ECU) e registratori di dati di eventi (EDR) continuano ad evolversi, affidandosi a pool profondi di dati raccolti da una vasta gamma di sensori. Qualsiasi perdita di dati o persino un accesso lento può compromettere la sicurezza del sistema, del veicolo e dei suoi occupanti.

Nei progetti ADAS, ad esempio, il tempo necessario per scrivere nella memoria a sola lettura programmabile cancellabile elettricamente (EEPROM) può aggiungere un ritardo potenzialmente disastroso nelle manovre automatiche studiate per evitare i pericoli rilevati. Nei progetti EDR, se durante un incidente l'alimentazione si interrompe, prestazioni di scrittura lente possono portare alla perdita dei dati dei sensori critici, ed è probabile che vengano eliminati proprio quei dati che sarebbero utili per comprendere la causa principale dell'incidente.

Caratteristiche della NVM FeRAM

I dispositivi di memoria realizzati con tecnologia FeRAM offrono un'alternativa efficace all'NVM in grado di soddisfare i crescenti requisiti di prestazioni per un'archiviazione affidabile dei dati e l'accesso ad alta velocità. I dispositivi sono costruiti in piombo-zirconato di titanio (Pb[Zr_xTi_1−x]O₃), noto semplicemente anche come PZT. Il PZT possiede la caratteristica unica per cui l'assenza di metallo (catione) incorporato nel cristallo PZT raggiungerà uno dei due stati possibili di polarizzazione, in alto o in basso, seguendo la direzione del campo elettrico applicato (Figura 1).

Figura 1: La tecnologia FeRAM sfrutta i due stati di energia ugualmente stabili offerti dai materiali PZT quando sono sottoposti a un campo elettrico. (Immagine per gentile concessione di Cypress Semiconductor)

Essendo entrambi stati di bassa energia, quando viene rimosso il campo elettrico il catione rimarrà fisso nel suo stato di polarizzazione più recente (Figura 2). All'applicazione di un campo elettrico positivo o negativo, il catione si riporterà rapidamente allo stato di polarizzazione appropriato seguendo un anello di isteresi caratteristico simile a quello riscontrato nei materiali ferromagnetici.

Figura 2: I materiali PZT seguono un anello di isteresi caratteristico quando commutano tra due stati di polarizzazione stabili in risposta a un campo elettrico applicato. (Immagine per gentile concessione di Wikimedia Commons CC-BY-SA-3.0)

Le caratteristiche della tecnologia FeRAM si traducono direttamente in una serie di vantaggi per i dispositivi NVM fabbricati con questa tecnologia. Poiché entrambi gli stati di energia PZT sono ugualmente stabili, il catione rimarrà nella sua ultima posizione per decenni, se non per secoli, portando a tassi di conservazione dei dati senza precedenti nei dispositivi NVM FeRAM basati su PZT. Inoltre, dato che questa tecnologia si basa sulla posizione dei cationi piuttosto che sui meccanismi di immagazzinamento della carica tipico di altre tecnologie NVM, i dispositivi FeRAM sono intrinsecamente tolleranti alle radiazioni e immuni ai singoli eventi di perturbazione prodotti dalla radiazione ionizzante.

Oltre ai vantaggi per l'archiviazione a lungo termine, la tecnologia FeRAM migliora le prestazioni dinamiche dei dispositivi NVM. La transizione di stato è molto rapida e richiede poca energia, superando quindi una limitazione fondamentale associata all'uso di memoria EEPROM o flash in applicazioni mission-critical. I dispositivi EEPROM e flash richiedono un lungo "tempo di assorbimento" associato al buffering dei dati durante i loro cicli di scrittura relativamente lenti. Questo ulteriore ritardo nel ciclo di scrittura si traduce in un periodo in cui i dati possono essere a rischio e andare completamente persi se l'alimentazione si interrompe prima che l'operazione venga completata con il controllo dello stato di lettura finale (Figura 3).

Figura 3: La necessità di un tempo di assorbimento prolungato (evidenziato in rosso) durante le operazioni di scrittura EEPROM o flash si traduce in un lungo periodo di tempo in cui i dati rimangono a rischio rispetto ai dispositivi FeRAM. (Immagine per gentile concessione di Cypress Semiconductor)

Per tenere conto dei cicli di scrittura più lenti nella memoria EEPROM o flash, gli sviluppatori che sperano di smorzare gli effetti delle interruzioni di corrente, oltre a regolatori di tensione appropriati devono aggiungere grandi condensatori o batterie per mantenere la tensione di alimentazione NVM quanto basta per completare le operazioni di scrittura. FeRAM come i dispositivi Excelon-Auto di Cypress Semiconductor operano invece alla velocità del bus durante le operazioni di scrittura, cosa che riduce notevolmente la perdita di dati critici ed elimina la necessità di inserire nel progetto fonti di alimentazione supplementari.

Dispositivi FeRAM di grado automotive

Simili alle memorie EEPROM e flash seriali dal punto di vista del funzionamento, i dispositivi FeRAM Excelon™-Auto sono progettati per soddisfare i requisiti NVM affidabile e ad alte prestazioni delle applicazioni mission-critical. I progettisti di sistemi automotive possono utilizzare questi dispositivi con certificazione AEC-Q100 in sostituzione di altri tipi di memoria. Possono scegliere tra CY15V102QN con alimentazioni da 1,71 a 1,89 V e CY15B102QN con alimentazioni da 1,8 a 3,6 V. Sono entrambi dispositivi da 2 megabit (Mbit), organizzati logicamente come 256 kbit x 8.

Nell'intervallo della temperatura di funzionamento tra -40 °C e +125 °C, le FeRAM Excelon hanno una percentuale di conservazione dei dati molto superiore a quella disponibile con altre tecnologie NVM. CY15x102QN, ad esempio, può conservare i dati per 121 anni stimati con un funzionamento a 85 °C. Dato che la conservazione dei dati è inversamente proporzionale alla temperatura, se sono forzate a operare al limite massimo delle temperature tipiche di un motore, ad esempio 95 °C, le FeRAM hanno una percentuale di conservazione dei dati stimata di 35 anni.

Per quanto riguarda l'affidabilità, le FeRAM hanno una durata del ciclo di lettura/scrittura di 10¹³, che è di circa di sette ordini di grandezza superiore rispetto a una tipica memoria EEPROM o flash. Di conseguenza, gli sviluppatori che utilizzano questi dispositivi FeRAM non hanno bisogno di implementare tecniche quali il livellamento dell'usura che distribuisce le scritture tra i settori per tenere conto di cicli di scrittura limitati associati ad altre tecnologie NVM.

Progetto semplificato con FeRAM

In un tipico progetto, gli sviluppatori possono utilizzare questi dispositivi per sostituire o integrare direttamente altri tipi di dispositivi NVM come la flash NOR. In un progetto ADAS, ad esempio, possono combinare una flash NOR utilizzata per archiviare il firmware con una FeRAM Excelon capace di gestire in modo affidabile i vari flussi di dati che provengono dai numerosi sottosistemi automotive che forniscono l'input alle applicazioni ADAS (Figura 4).

Figura 4: Gli sviluppatori di ADAS per automotive possono combinare i dispositivi FeRAM Excelon per memorizzare i dati critici con i dispositivi flash NOR comunemente usati per memorizzare i dati del firmware o di configurazione in progetti basati su microcontroller (MCU). (Immagine per gentile concessione di Cypress Semiconductor)

Gli sviluppatori possono facilmente inserire FeRAM Excelon in un progetto semplicemente collegandole al bus dell'interfaccia periferica seriale (SPI) del processore host. Progettate per funzionare come dispositivo slave SPI, le FeRAM CY15x102QN possono gestire velocità di clock della SPI fino a 50 MHz. In una tipica configurazione hardware, gli sviluppatori collegano l'ingresso seriale (SI) e l'uscita seriale (SO) della FeRAM rispettivamente alle linee Master Out Slave In (MOSI) e Master In Slave Out (MISO) del master SPI. I collegamenti alle rispettive linee di clock seriale (SCK) e chip select (/CS) completano l'interfaccia hardware. È possibile combinare più dispositivi per condividere il bus SPI dell'host (Figura 5).

Figura 5: Gli sviluppatori possono usare un bus SPI condiviso per collegare un processore host con una o più FeRAM CY15x102QN. (Immagine per gentile concessione di Cypress Semiconductor)

Per MCU senza funzionalità SPI, i dispositivi CY15x102QN supportano una semplice alternativa per emulare l'interfaccia hardware SPI utilizzando l'IO per uso generale (GPIO) del microcontroller per connettersi alla FeRAM. Questa interfaccia può essere implementata utilizzando solo tre GPIO e servendosi dello stesso pin per le linee dati SI e SO della FeRAM (Figura 6).

Figura 6: Per un microcontroller senza capacità SPI nativa, gli sviluppatori possono semplicemente usare l'IO per uso generale del microcontroller per emulare il protocollo SPI e accedere a una FeRAM seriale CY15x102QN. (Immagine per gentile concessione di Cypress Semiconductor)

Nel protocollo SPI standard, un master avvia una transazione abbassando /CS. Una volta che /CS si è abbassato, la FeRAM interpreta il byte successivo come opcode. Ad esempio, un'operazione di scrittura segue l'opcode di scrittura standard SPI (02h) con l'indirizzo a tre byte e i byte di dati (Figura 7).

Figura 7: I dispositivi FeRAM CY15x102QN di Cypress supportano opcode e protocolli SPI standard, consentendo agli sviluppatori di eseguire facilmente scritture con ritardo zero, inviando in sequenza opcode di scrittura (02h), indirizzo e dati. (Immagine per gentile concessione di Cypress Semiconductor)

Per le FeRAM CY15x102QN a 2 Mbit, l'indirizzo è una sequenza di tre byte, in cui i sei bit superiori vengono ignorati. Cypress consiglia di impostare questi sei bit superiori su zero per consentire in futuro una transizione agevole a dispositivi FeRAM di capacità superiore.

Un'operazione di lettura segue lo stesso protocollo. Dopo aver ricevuto l'opcode di lettura standard (03h) e l'indirizzo, il dispositivo FeRAM trasmette i byte di dati in sequenza su SO, incrementando automaticamente l'indirizzo di memoria mentre /CS rimane basso e i segnali di clock continuano. Di conseguenza, gli sviluppatori possono eseguire una lettura in blocco semplicemente mantenendo /CS basso e continuando a emettere segnali di clock SCK finché non viene letto il numero richiesto di byte di dati.

Le FeRAM CY15x102QN supportano anche una funzione di lettura veloce compatibile con la memoria flash seriale. Dopo l'opcode di lettura veloce (0Bh) e l'indirizzo, l'host SPI invia un byte fittizio per emulare la latenza di lettura della flash. Una volta ricevuto il byte fittizio, la FeRAM risponde con i dati richiesti. Le operazioni di lettura veloce possono anche eseguire letture in blocco utilizzando lo stesso meccanismo delle letture standard.

Protezione in scrittura

Insieme alla logica di controllo dell'interfaccia SPI, le FeRAM CY15x102QN forniscono altri meccanismi per identificare il dispositivo e proteggere in scrittura l'array di FeRAM.

Gli sviluppatori possono rilasciare opcode SPI per accedere all'ID univoco di sola lettura del dispositivo CY15x102QN e all'ID del dispositivo, che forniscono informazioni ad esempio su produttore, densità di memoria e revisione del componente. Possono anche impostare un registro di numeri seriali di lettura/scrittura di otto byte per associare una FeRAM a un sistema o a una configurazione particolari.

Per la protezione della FeRAM, il dispositivo fornisce meccanismi sia software che hardware. Per la protezione dei dati durante la produzione, uno speciale settore dedicato a 256 byte ha il compito di mantenerne l'integrità fino a tre cicli di saldatura a rifusione standard. Per la protezione durante le normali operazioni, il dispositivo utilizza un meccanismo di chiusura di abilitazione della scrittura (WEL) per proteggere l'array delle FeRAM da scritture involontarie. All'accensione, il WEL viene cancellato per impostazione predefinita e, prima di eseguire operazioni di scrittura, lo sviluppatore deve emettere l'opcode di abilitazione della scrittura (WREN) (06h).

Nel registro di stato del dispositivo, una coppia di bit di protezione del blocco (BP), BP0 e BP1, consente agli sviluppatori di proteggere la memoria sull'intero intervallo di indirizzi (BP1 = 1, BP0=1), solo nella metà superiore della memoria (BP1=1, BP0=0) o solo nel suo quarto superiore (BP1=0, BP0=1).

Gli sviluppatori possono utilizzare il pin hardware di protezione da scrittura (/WP) per impedire al software di modificare i bit BP durante le normali operazioni. In questo caso impostano il bit di protezione da scrittura (WPEN) nel registro di stato e inviano il pin /WP basso per bloccare il registro di stato.

Gestione della potenza

Nelle normali operazioni, l'efficienza energetica intrinseca della tecnologia FeRAM determina in genere per CY15V102QN (VDD da 1,71 a 1,89 V) un consumo di soli 5,0 mA per operazioni alla frequenza di clock massima di 50 MHz. Gli sviluppatori possono ridurre la frequenza di clock per aumentare il risparmio energetico, abbassando i consumi di corrente a circa 0,4 mA a 1 MHz per CY15V102QN. Il consumo di corrente con CY15B102QN (VDD da 1,8 a 3,6 V) è solo leggermente superiore a 6,0 mA a 50 MHz e a 0,5 mA a 1 MHz.

Per periodi prolungati di inattività, gli sviluppatori riducono in modo significativo il consumo energetico utilizzando gli opcode SPI per impostare i dispositivi CY15x102QN in tre modalità a basso consumo:

• Modalità standby con consumo di corrente tipico di 2,7 μA per CY15V102QN o di 3,2 μA per CY15B102QN
• Modalità spegnimento profondo a 1,1 μA per CY15V102QN o 1,3 μA per CY15B102QN
• Modalità di ibernazione a 0,1 μA per una delle due parti

I dispositivi CY15x102QN passano automaticamente in modalità standby ogni volta che l'host SPI imposta /CS alto alla fine di una sequenza di opcode. Per portare il dispositivo in modalità spegnimento profondo o ibernazione, l'host SPI utilizza il protocollo opcode SPI. Nello specifico, l'host SPI passa a una delle due modalità di alimentazione più basse impostando prima /CS basso, quindi inviando uno speciale opcode per lo spegnimento profondo (BAh) o l'ibernazione (B9h) e infine impostando /CS alto (Figura 8).

Figura 8: Anche se i dispositivi FeRAM CY15x102QN entrano automaticamente in modalità standby dopo una sequenza di opcode, gli sviluppatori possono portarli in modalità di potenza ancora più bassa, ad esempio in quella di spegnimento profondo (DPD), utilizzando la normale procedura degli opcode SPI. (Immagine per gentile concessione di Cypress Semiconductor)

Quando l'host SPI imposta /CS alto dopo l'invio dell'opcode di basso consumo appropriato, la FeRAM CY15x102QN entra nella modalità a basso consumo richiesta entro circa 3 μs.

Dalla modalità standby, le FeRAM di Cypress tornano immediatamente a quella attiva quando /CS si abbassa per avviare la successiva sequenza di opcode. Dalla modalità di spegnimento profondo o di ibernazione, le FeRAM tornano a quella attiva anche dopo che CS si è abbassato, ma con un breve ritardo di circa 10 μs nel caso della modalità di spegnimento profondo o di 450 μs da quella di ibernazione.

Conclusione

La necessità di NVM affidabile, veloce, a basso consumo e ad alte prestazioni è andata crescendo di importanza in un'ampia gamma di applicazioni che dipendono dai dati provenienti da una serie sempre più numerosa di sensori. In aree mission-critical come le applicazioni ADAS automotive, la perdita di dati può pregiudicare in maniera significativa i meccanismi di sicurezza progettati per proteggere il veicolo e i suoi occupanti.

Utilizzando i dispositivi FeRAM di Cypress Semiconductor, gli sviluppatori possono facilmente aggiungere NVM in grado di archiviare per decenni e in modo affidabile i dati critici senza sacrificare le prestazioni o i requisiti di basso consumo.