Sistemi za informacije in zabavo v vozilih, nosljive naprave, pametni dom ali pametna tovarna: vsem je skupno, da jih mora biti mogoče razširjati z inovativnimi uporabniškimi izkušnjami in funkcionalnostmi. To zahteva mikrokontrolerje z večjo zmogljivostjo in manjšo porabo energije. Mejo nam zdaj pogosto postavljajo pomnilniki, ki pa jo lahko presežemo z novo tehnologijo.
Rutronik GmbH
Avtorja: Chen Wang in Alex de la Bastie
Večina mikrokontrolerjev in naprav FPGA ima notranji pomnilnik, optimiziran za nekatere načine uporabe, zato ne more izpolniti vseh zahtev. To je posebno pomembno pri napravah, ki zahtevajo veliko pomnilnika in veliko pasovno širino za izvajanje. Takšna sta na primer medpomnjenje slike/zvoka ali strojno učenje (ML) z obsežnimi nevronskimi mrežami.
Klasični zunanji pomnilniki
Za take načine uporabe je običajno najbolj praktičen in preprosto razširljiv zunanji pomnilnik. Odvisno od zahtev glede gostote in zmogljivosti za namen uporabe lahko uporabimo klasika: statični pomnilnik z naključnim dostopom (angl. Static Random Access Memory – SRAM) ali dinamični pomnilnik z naključnim dostopom z enojno ali dvojno hitrostjo (angl. Single/Dual Data Rate Dynamic Random Access Memory – SDR/DDR DRAM). Zaradi različnih tehnologij in arhitektur imata različne gostote ter tehnične podatke. Vendar pa sta oba običajno neprimerna za inovativne aplikacije IoT naslednje generacije, saj zahtevajo širši nabor funkcij pri majhni velikosti in zelo majhni porabi. Primer je tipična topologija celice SRAM s 6 tranzistorji, ki se ni zmanjševala enako hitro kot vozlišča procesorjev. To pomeni, da pomnilnik ne podpira večje gostote in je relativno drag. Zaradi tega je uporaba pomnilnikov SRAM pri najnovejših napravah IoT, ki zahtevajo veliko pomnilnika, vedno bolj negospodarna.
Pomnilniki DRAM imajo pred pomnilniki SRAM sicer cenovno prednost, saj so njihove celice sestavljene iz samo enega tranzistorja in kondenzatorja, vendar pa imajo tudi nekaj pomanjkljivosti. Največje so veliko število priključkov, velika poraba energije in zapletena integracija. Za načine uporabe, kjer ni takih omejitev, ostaja stara tehnologija SDR DRAM možna rešitev za obstoječe sisteme, za številne sodobne kompaktne sisteme IoT pa ni več primerna.
Tabela 1 našteva razpoložljive možnosti za zunanji pomnilnik s parametri, ki jih morajo načrtovalci upoštevati pri izbiri. Jasno kaže, da je vgrajeni pomnilnik SRAM najboljša pomnilniška rešitev za rešitve SoC. Tudi tukaj pa imamo omejitev: gostota vgrajenega pomnilnika SRAM je omejena zaradi velikosti integriranega vezja in stroškov integracije v logični proces. Mikrokontrolerji se ob tem stalno razvijajo in selijo na sodobnejše procese, tako da vgrajeni pomnilnik SRAM izgublja tudi svojo prednost pri porabi v pripravljenosti.
Po drugi strani je pomnilnik DRAM primeren za zahtevnejše načine uporabe, vendar pa je za številne druge načine uporabe v sistemih IoT pogosto preveč zmogljiva rešitev zaradi števila priključkov, hitrosti in moči. Alternativna rešitev so pomnilniki PSRAM (angl. Pseudo SRAM). Tukaj sta zmogljivost in število priključkov idealno uravnotežena, poraba energije pa majhna.
Pomnilniki IoT RAM zapolnjujejo vrzel med pomnilniki DRAM in SRAM
Pomnilniki IoT RAM temeljijo na tehnologiji PSRAM, tako da imajo njene značilnosti, hkrati pa jih kombinirajo z dokaj preprostim vmesnikom, podobnim pomnilnikom SRAM, za preprosto načrtovanje izdelka. Na voljo so tudi drugi vmesniki, kot so NOR Flash SPI z majhnim številom priključkov, ki jih uporablja večina mikrokontrolerjev, zato so pomnilniki IoT RAM rešitev povsod, kjer naš SoC potrebuje več pomnilnika, kot ga je na voljo v notranjem pomnilniku SRAM.
Pri tem so stroški izdelka s pomnilnikom IoT RAM tudi do 10-krat nižji kot s pomnilnikom SRAM. Hkrati ima pomnilnik IoT RAM od pet- do desetkrat večjo gostoto, saj uporablja tehnologijo pomnilniških celic DRAM z le enim tranzistorjem in enim kondenzatorjem.
Majhno število priključkov
V primerjavi s pomnilniki SRAM ponuja IoT RAM večjo pasovno širino in je primerljiv z običajnimi pomnilniki SDRAM, vendar z veliko manjšim številom priključkov. Pomnilnik IoT RAM podpira 1-, 4-, 8- ali 16-bitno podatkovno vodilo. Pomnilnik IoT RAM tako omogoča znatno zmanjšanje števila priključkov za potrebno pasovno širino v sodobnih napravah IoT. Poleg tega poenostavlja načrtovanje sistema in lahko priključke sistema SoC uporabimo za druge namene.
Pomnilnik IoT RAM ima pomembno prednost pri številu priključkov tudi pred pomnilnikom DRAM. Tabela 4 kaže, da zahteva pomnilnik IoT RAM s 16-bitnim vodilom trikrat manj priključkov kot pomnilnik SDRAM z 32-bitnim vodilom pri primerljivi pasovni širini. To omogoča zmanjšanje integriranega vezja, kar zmanjša površino silicija, stroške in velikost tiskanega vezja. V primerjavi s pomnilnikom SDRAM x32 BGA90 je ohišje pomnilnika IoT RAM BGA24 do trikrat manjše in zato porabi zelo malo prostora. S tem tudi sprostimo priključke mikrokontrolerja in dobimo možnost paketnega dostopa do pomnilnika.
Majhna poraba energije
Pomnilnik IoT RAM potrebuje približno štirikrat manj energije na bit (pJ/b – pikodžulov na bit) kot običajni pomnilniki DRAM. Nizke zakasnitve pomnilnika IoT RAM omogočajo hiter vklop in zelo hitro prebujanje iz načinov nizke porabe ter pripravljenosti. Pomnilnik IoT RAM poleg tega zagotavlja popolno ohranitev podatkov pri izredno majhni porabi energije v pripravljenosti (običajno 0,1–0,3 μA/Mb, odvisno od gostote) in način globokega izklopa z manj kot 8 μA za vse gostote osmiškega perifernega vmesnika (angl. Octal Peripheral Interface – OPI).
Pomnilnik IoT RAM za medpomnjenje slik pri mikrokontrolerjih
Pomnilniške rešitve IoT RAM iz podjetja AP Memory, ki temeljijo na tehnologiji PSRAM, že delujejo s številnimi mikrokontrolerji, sistemi SoC in napravami FPGA, ki se pogosto uporabljajo v napravah IoT ter vgrajenih napravah.
Pri pametni zapestnici je potrebna pasovna širina dobrih 5 MB/s (71.392 x 3 bajti x 30 sl/s). Če upoštevamo dodatno zakasnitev vodila SoC in izbiro frekvence pomnilniškega vodila pod 100 MHz, pri številnih sistemih SoC v tej kategoriji zadostuje za potrebno hitrost prenosa podatkov pomnilnik IoT RAM QSPI SDR.
Pri preprosti pametni uri znaša potrebna pasovna širina približno 25 MB/s (135.424 x 3 bajti x 60 sl/s) in je lahko tudi bistveno višja, odvisno od modela. Tu lahko zahteve bolje izpolnimo s pomnilniki IoT RAM OPI ali HPI. Za konkurenčne velikoserijske nosljive naprave priporočamo ohišja WLCSP.
Pomnilniki IoT RAM z različnimi pasovnimi širinami so na voljo tudi za pametne domove in industrijo. Primer je preprost prikazovalnik termostata, ki potrebuje približno 10 MB/s, za katerega zadošča začetni pomnilnik IoT RAM 16 MB QSPI SDR SOP8. Na drugi strani lahko velike zahteve prikazovalnika HD 720p izpolnimo s pomnilnikom IoT RAM 256 MB OPI ali HPI v ohišju BGA24.
IoT RAM: prelomnica za številne aplikacije z mikrokontrolerji
Zaradi teh značilnosti so postali pomnilniki IoT RAM v zadnjih letih priljubljeni za nosljive naprave. Za številne najnovejše mikrokontrolerje, brezžične sisteme SoC in naprave FPGA vodilnih proizvajalcev na trgu so ti pomnilniki optimalna izbira za vse načine uporabe na področjih IoT, edge AI in industrije.
Z referenčnimi zasnovami partnerjev SoC in podjetja Rutronik lahko proizvajalci zagotovijo učinkovito uporabo svojih razvijalskih virov in kratek čas do trga. RDK2 [dodajte povezavo do RDK2 v digitalni reviji Rutroniker: https://www.rutronik.com/development-stories/rutronik-development-kit-rdk2/]iz podjetja Rutronik na primer temelji na PSoC 62 iz podjetja Infineon in v kombinaciji z zunanjim pomnilnikom PSRAM (64 Mb QSPI) ponuja sodobno ter preprosto uporabno strojno platformo za razvoj številnih aplikacij, predvsem nosljivih naprav in tipal.
Zaključek
Majhno število priključkov, majhna poraba energije, široka izbira ohišij in konkurenčnost ter preprostost načrtovanja in integracije pomnilnikov IoT RAM so odločilne razlike v primerjavi s tradicionalnimi ter podedovanimi rešitvami SDRAM.
Rutronik GmbH,Podružnica v Ljubljani
Motnica 5, 1236 Trzin, Slovenia
E-pošta: rutronik_si@rutronik.com
Tel. +386 1 561 09-80
https://www.rutronik.com
