Usar una F-RAM para construir dispositivos alimentados por batería con almacenamiento a largo plazo de ultrabajo consumo

El almacenamiento confiable de datos a largo plazo se ha convertido en un requisito cada vez más vital en los dispositivos móviles que funcionan con baterías diseñados para consumidores, industriales y otros segmentos. Las tecnologías convencionales de memoria no volátil (NVM), como la memoria flash o la memoria programable y borrable de solo lectura (EEPROM) han respondido a esta necesidad en generaciones anteriores de productos.

Sin embargo, para los productos móviles avanzados de hoy en día, las expectativas continuas de los usuarios para una mayor duración de la batería han limitado significativamente las opciones capaces de ofrecer almacenamiento confiable sin comprometer el rendimiento del diseño o los presupuestos de energía.

Este artículo presenta la familia de memorias de acceso aleatorio ferroeléctrico (F-RAM) Excelon de Cypress Semiconductor y muestra cómo se puede usar para cumplir con los requisitos de almacenamiento confiable a largo plazo en dispositivos alimentados por batería.

Desafíos de almacenamiento en dispositivos portátiles

En los diseños de dispositivos portátiles, dispositivos IoT y otros productos portátiles, la necesidad de un gran almacenamiento no volátil sigue directamente a las mayores capacidades de estos productos. El deseo de los usuarios de obtener información más completa ha impulsado la integración en estos diseños de más tipos de sensores que funcionan a resoluciones más altas y velocidades de actualización más rápidas. Al mismo tiempo, los usuarios esperan que estos productos sofisticados proporcionen una visión amplia de datos históricos y tendencias en lugar de una simple instantánea de los datos actuales del sensor. En particular, el dispositivo debe poder producir este catálogo de datos a pedido sin una conexión activa a la nube, teléfono inteligente u otro dispositivo externo.

Los diseñadores que intentan cumplir estos requisitos básicos con tecnologías NVM convencionales se enfrentan a múltiples dificultades, particularmente en los diseños de potencia limitada. Los tiempos de escritura para muchas tecnologías NVM son inherentemente mucho más lentos que la RAM debido a la necesidad de los ciclos extendidos necesarios para completar el proceso de programación. La EEPROM convencional puede exhibir tiempos de escritura de varios milisegundos. Incluso en la memoria flash avanzada, el rendimiento se ralentiza por la necesidad del "tiempo de remojo" adicional requerido durante los ciclos de escritura. A su vez, los ciclos de escritura más largos significan un mayor consumo de corriente general, junto con una tasa de actualización de datos reducida. Finalmente, los dispositivos NVM convencionales generalmente tienen especificaciones de resistencia de escritura limitadas. Si se usa con los ciclos de escritura repetidos necesarios para el almacenamiento de datos de rutina, los dispositivos podrían desgastarse dentro de la vida útil del producto.

Para una creciente variedad de diseños alimentados por baterías, los dispositivos de NVM F-RAM proporcionan una solución más simple para el almacenamiento a largo plazo que ofrece la combinación requerida de velocidad, resistencia y operación de baja potencia. Los dispositivos F-RAM típicos presentan tiempos de resistencia de escritura y ciclo de escritura que son mucho mejores que las EEPROM y memorias flash, e incluso se acercan a las RAM estáticas (SRAM) en velocidad. En efecto, F-RAM combina las ventajas de rendimiento de la RAM convencional con la capacidad de almacenamiento no volátil de otras tecnologías de NVM. Entre las soluciones de F-RAM, la serie de F-FRAM Excelon LP (baja potencia) de Cypress Semiconductor va más allá con su capacidad de cumplir con los requisitos fundamentales para el consumo de energía ultra baja en dispositivos portátiles alimentados por baterías y otros productos móviles.

FRAM de potencia ultrabaja

Los dispositivos de F-RAM Excelon LP de Cypress son subsistemas de memoria no volátiles integrados que combinan una matriz F-FRAM, registros, control y lógica de interfaz, y un sector especial diseñado para preservar el contenido a través de hasta tres ciclos de soldadura por reflujo estándar (Figura 1).

Figura 1: Los dispositivos de F-RAM Excelon LP de Cypress Semiconductor integran una matriz F-RAM y circuitos de soporte para proporcionar un subsistema de memoria completo accesible a través de puertos SPI estándar. (Fuente de la imagen: Cypress Semiconductor)

Los dispositivos de F-FRAM Excelon LP proporcionan un nivel de confiabilidad a largo plazo que supera con creces las memorias EEPROM o flash típicas. Estos dispositivos presentan una resistencia de 10¹⁵ ciclos de lectura/escritura y una retención de datos de 151 años, superando el ciclo de vida realista de cualquier dispositivo portátil o IoT práctico.

El rendimiento de escritura de estos dispositivos también mejora la fiabilidad general de las aplicaciones. Debido a que estos dispositivos escriben datos en la matriz F-RAM no volátil a la velocidad del bus, reducen en gran medida la posibilidad de pérdida de datos en comparación con otros tipos de dispositivos de NVM. En esos dispositivos, los tiempos de escritura significativamente más largos y la necesidad correspondiente de almacenar internamente los datos crean una gran ventana de vulnerabilidad donde los datos podrían perderse si falla la energía antes de que finalice la secuencia de escritura.

A diferencia de otras tecnologías de NVM, los dispositivos de F-FRAM Excelon LP funcionan con los niveles mínimos de corriente necesarios para extender la vida útil de la batería en productos portátiles. Operando a 20 megahercios (MHz), la serie LP de F-RAM de 8 megabits (Mb) CY15x108QI de Cypress consume solo 1.3 miliamperios (mA), mientras que la serie LP de F-RAM de 4 Mb CY15x104QI de Cypress consume solo 1.2 mA. Como se analiza a continuación con más detalle, los dispositivos también brindan a los desarrolladores múltiples opciones para lograr mayores reducciones en el consumo actual.

Diseñados para admitir un amplio conjunto de requisitos del sistema, los miembros de la familia Excelon LP están disponibles en rangos de temperatura comerciales e industriales, así como en diferentes voltajes de suministro. Por ejemplo, el CY15V104QI de 4 Mb y el CY15V108QI de 8 Mb operan con una tensión de alimentación que van desde 1.71 a 1.89 voltios, mientras que el CY15B104QI de 4 Mb y el CY15B108QI de 8 Mb están diseñados para funcionar con un suministro de 1.8 a 3.6 voltios.

Diseño de sistema simple

Además de garantizar una coincidencia adecuada con los requisitos operativos de las diferentes aplicaciones, los dispositivos simplifican el diseño del sistema. En un diseño típico, los desarrolladores usarían un bus de interfaz de periféricos en serie (SPI) para conectar uno o más dispositivos de F-RAM Excelon LP, como esclavos SPI, a un maestro SPI, como un microcontrolador (Figura 2).

Figura 2: Los desarrolladores pueden agregar almacenamiento a largo plazo a sus diseños simplemente conectando uno o más dispositivos de F-RAM Excelon LP de Cypress Semiconductor al bus SPI controlado por un maestro SPI como un microcontrolador. (Fuente de la imagen: Cypress Semiconductor)

Las transacciones a través del bus SPI de interconexión son simples y rápidas. Al escribir en la memoria, los dispositivos de F-RAM Excelon LP funcionan sin los retrasos de escritura adicionales mencionados anteriormente para las tecnologías flash o EEPROM. En lugar de ello, ya que cada byte llega al dispositivo a través del bus SPI, se escribe inmediatamente en la matriz F-RAM, lo cual reduce significativamente el riesgo de pérdida de datos debido a un fallo de energía súbita.

Para el desarrollador del sistema, el proceso de escritura sigue un protocolo SPI simple que involucra códigos de operación SPI (códigos de operación) estándar de la industria. El procesador host comienza cada secuencia de escritura transmitiendo un código de operación de habilitación de escritura (WREN) (06h) mientras sube y baja la línea de selección de chip (ØCS). Después de esta breve fase de inicialización, el procesador host comienza la operación de escritura transmitiendo un código de operación de escritura (02h) seguido de una dirección de 24 bits. (Los cuatro bits superiores de la dirección se ignoran en estos dispositivos, pero garantizan la compatibilidad con futuros dispositivos F-RAM de mayor densidad). Inmediatamente después de enviar la dirección, el procesador host puede comenzar a transferir bytes de datos (Figura 3).

Figura 3: Durante la secuencia de escritura SPI estándar, los dispositivos de F-RAM Excelon LP de Cypress Semiconductor escriben inmediatamente datos en la matriz F-RAM sin demoras en el búfer o el tiempo de remojo asociados con las tecnologías de NVM anteriores. (Fuente de la imagen: Cypress Semiconductor)

A medida que el procesador host envía un byte de datos, el dispositivo F-RAM incrementa automáticamente la dirección internamente siempre que el procesador host mantenga baja la línea ØCS y continúe transmitiendo señales de reloj. Como resultado, los diseñadores pueden usar dispositivos de F-RAM Excelon LP en diseños que requieren cualquier combinación de escritura de un solo byte y escritura de bloque.

Las operaciones de lectura siguen un protocolo SPI similar. Después de bajar ØCS, el procesador host transmite un código de operación de lectura (03h) y la dirección de 24 bits. El dispositivo de F-RAM Excelon LP responde inmediatamente transmitiendo los bytes de datos en la línea SO con cada ciclo de reloj SCK. Al igual que las operaciones de escritura, las operaciones de lectura continúan mientras el procesador host mantenga ØCS bajo y continúe emitiendo relojes SCK.

Aumentar la duración de la batería

Junto con sus simples requisitos de diseño del sistema, estas F-RAM de baja potencia proporcionan a los desarrolladores opciones para reducir el consumo de corriente y prolongar la vida útil de la batería. Específicamente diseñados para aplicaciones alimentadas por batería, los dispositivos CY15x10xQI de Cypress integran circuitos de control de corriente de entrada incorporados que reducen las corrientes relativamente grandes que generalmente se generan al encender los dispositivos de NVM.

Los dispositivos de F-RAM Excelon LP de Cypress también permiten a los desarrolladores emplear diferentes estrategias para extender la duración de la batería en diseños portátiles y de IoT que usan sensores para rastrear el progreso relativamente lento de los eventos del mundo real. En esos diseños, los dispositivos de F-RAM Excelon LP de Cypress generalmente pueden funcionar a una frecuencia de reloj más baja que reduce el consumo de corriente. Por ejemplo, mientras opera con un reloj de 1 MHz, el consumo de corriente del CY15V108QI de 8 Mb cae a 300 microamperios (µA) desde los 1.3 mA utilizados a 20 MHz. Del mismo modo, el CY15V104QI de 4 Mb requiere solo 200 µA a 1 MHz en comparación con 1.2 mA a 20 MHz.

Mediante el uso de modos especiales de baja potencia disponibles con dispositivos de F-RAM Excelon LP, los desarrolladores pueden minimizar aún más el consumo de energía del sistema durante los diversos períodos de inactividad que ocurren habitualmente en aplicaciones portátiles y de IoT. Estos dispositivos F-RAM admiten tres modos de potencia reducidos que permiten a los desarrolladores intercambiar tiempo de respuesta por consumo de corriente reducido.

Los dispositivos ingresan automáticamente al primer modo de baja potencia, el modo de espera, cada vez que se sube ØCS para terminar una secuencia SPI. Por el contrario, los dispositivos salen automáticamente del modo de espera cuando se baja ØCS para comenzar una nueva secuencia SPI. Mientras se encuentra en modo de espera, el CY15V108QI de 8 Mb Excelon LP consume solo 3.5 µA, y el CY15V104QI de 4 Mb requiere solo 2.3 µA.

El modo de espera proporciona una reducción de corriente automática e inmediata sin imponer demoras adicionales para volver al modo activo normal. Sin embargo, para aplicaciones con períodos de inactividad prolongados, incluso este consumo de corriente reduce innecesariamente la vida útil de la batería a largo plazo. Para estos casos, los dispositivos de F-RAM Excelon LP proporcionan dos modos adicionales de baja potencia: modo de apagado profundo y modo de hibernación.

A diferencia del modo de espera predeterminado, los modos de apagado profundo e hibernación se ingresan explícitamente mediante el uso de códigos de operación SPI especiales. Similar a las operaciones de lectura y escritura de SPI, el maestro SPI emite un código de operación de apagado profundo (DPD) (BAh) o código de operación de hibernación (HBN) (B9h) para ordenar al dispositivo de F-RAM que ingrese al modo de bajo consumo correspondiente (Figura 4).

Figura 4: Los desarrolladores pueden usar protocolos SPI estándar para colocar los dispositivos de F-RAM Excelon LP de Cypress Semiconductor en modos de apagado profundo (DPD) o hibernación (HIB) que reducen drásticamente el consumo de corriente pero incurren en diferentes retrasos para entrar (t_ENTxxx) y salir (t_EXTxxx) del respectivo modo de baja potencia. (Fuente de la imagen: Cypress Semiconductor)

El efecto de estos modos de baja potencia es dramático con un consumo de corriente que cae por debajo de 1 µA (Tabla 1). Aunque reducen significativamente la corriente del dispositivo, estos modos tienen un compromiso que puede afectar las operaciones de datos urgentes. Los modos de baja potencia DPD y HIB basados en código de operación imponen demoras adicionales asociadas con el tiempo requerido para ingresar al modo (t_ENTDPD o t_ENTHIB) y el tiempo requerido para salir del modo (t_EXTDPD o t_EXTHIB) (Tabla 1 y Figura 4).

Tabla 1: Consumo de corriente en los modos de alimentación de FRAM Excelon LP junto con los retrasos asociados para entrar (t_ENTDPD o t_ENTHIB) o salir (t_EXTDPD o t_EXTHIB) de los modos de apagado profundo e hibernación basados en código de operación. Los números se refieren a versiones comerciales de bajo voltaje con un rango de suministro de 1.71 voltios a 1.89 voltios y un rango de temperatura de operación de 0 °C a +70 °C. (Fuente de datos: hojas de datos de F-RAM Excelon LP de Cypress)

Al usar los modos de baja potencia basados en el código de operación, los desarrolladores necesitan equilibrar los beneficios de la reducción del consumo de corriente en estos modos con el consumo de corriente y el tiempo requerido para entrar y salir de ellos. Cualquier sistema que entre en períodos inactivos extendidos es un candidato probable para cualquiera de los modos, pero la elección específica del modo depende de manera crítica del ciclo de trabajo esperado para las operaciones del dispositivo F-RAM durante los períodos activos. Para los dispositivos F-RAM que necesitan funcionar con un ciclo de trabajo alto, los costos de entrar y salir repetidamente de un modo de baja potencia podrían ser contraproducentes. Por ejemplo, Cypress sugiere que cualquier aplicación con un período de inactividad de 10 segundos o más es un excelente candidato para el modo de hibernación.

Conclusión

La necesidad emergente de almacenamiento de datos a largo plazo en dispositivos portátiles y dispositivos IoT alimentados por batería hace que los desarrolladores busquen dispositivos NVM que ofrezcan un bajo consumo de energía sin las limitaciones de rendimiento asociadas con las tecnologías NVM convencionales, como EEPROM y memoria flash. Basándose en la velocidad y confiabilidad inherentes de la tecnología F-RAM, los dispositivos de F-RAM Excelon de baja potencia (LP) de Cypress Semiconductor combinan sus requisitos de corriente reducida inherentes con modos programables de baja potencia que pueden reducir su consumo de corriente a menos de un microamperio. Al utilizar F-FRAM Excelon LP de Cypress, los desarrolladores pueden complementar rápidamente los diseños alimentados por batería con el almacenamiento de datos a largo plazo que ofrece la velocidad de la memoria de acceso aleatorio convencional y la capacidad de retener datos de manera confiable durante más de 150 años.