วิธีใช้ MRAM เพื่อปรับปรุงความน่าเชื่อถือ ลดเวลาในการตอบสนอง และลดพลังงานสำหรับ Edge Computing

การใช้การประมวลผลแบบขอบกำลังเติบโตขึ้นในแอปพลิเคชันต่างๆเช่น Industrial Internet of Things (IIoT), หุ่นยนต์, อุปกรณ์ทางการแพทย์, อุปกรณ์ที่สวมใส่ได้, ปัญญาประดิษฐ์, ยานยนต์และการออกแบบแบบพกพา นอกเหนือจากการเติบโตนี้แล้วความต้องการหน่วยความจำความเร็วสูง, เวลาแฝงต่ำ, ไม่ลบเลือน, พลังงานต่ำ, ราคาประหยัดสำหรับการใช้งานเช่นการจัดเก็บโปรแกรมและการสำรองข้อมูล แม้ว่าจะมีตัวเลือกมากมายให้ใช้งานรวมถึงหน่วยความจำเข้าถึงโดยสุ่มแบบคงที่ (SRAM), ไดนามิกแรม (DRAM), แฟลชและหน่วยความจำแบบอ่านอย่างเดียวที่ตั้งโปรแกรมได้ด้วยไฟฟ้า (EEPROM) ที่ใช้กันอย่างแพร่หลาย แต่เทคโนโลยีที่ใช้กันอย่างแพร่หลายเหล่านี้จำเป็นต้องมีการแลกเปลี่ยนในด้านใดด้านหนึ่ง ซึ่งทำให้น้อยกว่าที่เหมาะสำหรับการประมวลผลแบบขอบ

นักออกแบบสามารถมองหาความทรงจำเข้าถึงโดยสุ่ม (MRAMs) แบบแม่เหล็กแทนได้ อุปกรณ์ MRAM ตามชื่อจะจัดเก็บข้อมูลในองค์ประกอบที่เก็บข้อมูลแม่เหล็กและเสนอการเข้าถึงแบบสุ่มที่แท้จริงทำให้ทั้งการอ่านและการเขียนเกิดขึ้นแบบสุ่มในหน่วยความจำ โครงสร้างและการทำงานของพวกเขาเป็นลักษณะที่มีความหน่วงต่ำการรั่วไหลต่ำจำนวนรอบการเขียนสูงและการเก็บรักษาสูงซึ่งทั้งหมดนี้เป็นที่ต้องการอย่างมากสำหรับการประมวลผลแบบขอบ

บทความนี้จะเปรียบเทียบความสามารถด้านประสิทธิภาพของเทคโนโลยีหน่วยความจำทั่วไปโดยสังเขปเช่น EEPROM, SRAM และแฟลชกับ MRAM จากนั้นจะตรวจสอบประโยชน์ของการใช้ MRAM ในแอปพลิเคชันการประมวลผลขอบต่างๆจากนั้นจึงแนะนำอุปกรณ์ MRAM เฉพาะจากRenesas Electronicsเคล็ดลับการใช้ MRAM และแพลตฟอร์มการประเมินผลเพื่อช่วยนักออกแบบในการเริ่มต้นออกแบบ

การเปรียบเทียบเทคโนโลยีหน่วยความจำ

ผู้ออกแบบแอพพลิเคชั่นการประมวลผลแบบเอดจ์มีเทคโนโลยีหน่วยความจำหลายแบบให้เลือกซึ่งแต่ละตัวมีความสามารถด้านประสิทธิภาพและการแลกเปลี่ยนที่แตกต่างกัน (รูปที่ 1) DRAM ส่วนใหญ่มักจะให้หน่วยความจำที่ใช้งานได้สำหรับโปรเซสเซอร์ประเภทต่างๆระหว่างการเรียกใช้ซอฟต์แวร์ มีราคาไม่แพงค่อนข้างช้า (เมื่อเทียบกับ SRAM) ใช้พลังงานจำนวนมากและเก็บรักษาข้อมูลไว้ตราบเท่าที่มีพลังงานจ่าย นอกจากนี้เซลล์หน่วยความจำ DRAM ยังอาจได้รับความเสียหายจากรังสี

SRAM เร็วกว่าและแพงกว่า DRAM มักใช้เป็นหน่วยความจำแคชสำหรับโปรเซสเซอร์ในขณะที่ DRAM ให้หน่วยความจำหลัก มันเป็นพลังที่หิวโหยที่สุดของความทรงจำที่อธิบายไว้ที่นี่และเช่นเดียวกับ DRAM มันเป็นความทรงจำที่ผันผวน เซลล์ SRAM อาจได้รับความเสียหายจากรังสีและทั้ง DRAM และ SRAM ให้ความทนทานสูง

EEPROM เป็นหน่วยความจำแบบไม่ลบเลือนที่ใช้แรงดันไฟฟ้าภายนอกเพื่อลบข้อมูล EEPROM นั้นช้ามีความอดทนที่ จำกัด โดยทั่วไปมากถึงหนึ่งล้านรอบและค่อนข้างหิวโหย ปัจจุบัน EEPROM เป็นเทคโนโลยีหน่วยความจำที่ใช้น้อยที่สุดตามที่อธิบายไว้ที่นี่

Flash เป็นรูปแบบหนึ่งของ EEPROM ซึ่งมีความจุในการจัดเก็บข้อมูลเพิ่มขึ้นมากและมีความเร็วในการอ่าน/เขียนที่เร็วขึ้น แต่ก็ยังค่อนข้างช้า Flash มีราคาไม่แพงและข้อมูลยังคงอยู่ในสภาวะปิดเครื่องได้นานถึง 10 ปี อย่างไรก็ตามแฟลชมีความซับซ้อนมากกว่าในการใช้เมื่อเทียบกับหน่วยความจำประเภทอื่น ต้องอ่านข้อมูลในบล็อกและไม่สามารถอ่านไบต์ทีละไบต์ได้ นอกจากนี้ก่อนที่จะเขียนใหม่จะต้องลบเซลล์ การลบจะต้องดำเนินการบล็อกทีละบล็อกไม่ใช่แต่ละไบต์

MRAM นั้นเป็นหน่วยความจำเข้าถึงโดยสุ่มที่แท้จริง ทำให้ทั้งการอ่านและการเขียนเกิดขึ้นแบบสุ่มในหน่วยความจำ MRAM ยังมีการรั่วไหลเป็นศูนย์เมื่ออยู่ในโหมดสแตนด์บายและรวมความสามารถในการทน 10¹⁶ เขียนรอบที่มีความสามารถในการเก็บรักษาข้อมูลมากกว่า 20 ปีที่ 85°C ปัจจุบันมีความหนาแน่นตั้งแต่ 4 เมกะบิต (Mbits) ถึง 16 Mbits

เทคโนโลยี MRAM นั้นคล้ายคลึงกับเทคโนโลยีแฟลชที่มีการกำหนดเวลาอ่าน/เขียนที่เข้ากันได้กับ SRAM (MRAM บางครั้งเรียกว่า SRAM (P-SRAM) แบบต่อเนื่อง) เนื่องจากคุณสมบัติ MRAM จึงเหมาะอย่างยิ่งกับแอปพลิเคชันที่ต้องจัดเก็บและดึงข้อมูลโดยมีเวลาแฝงน้อยที่สุด ซึ่งรวมความหน่วงต่ำนี้เข้ากับพลังงานต่ำความทนทานที่ไม่มีที่สิ้นสุดความสามารถในการปรับขนาดและความไม่ผันผวน ภูมิคุ้มกันโดยธรรมชาติของ MRAM ต่ออนุภาคอัลฟายังทำให้เหมาะสำหรับอุปกรณ์ที่สัมผัสกับรังสีเป็นประจำ

รูปที่ 1: MRAM ไม่ลบเลือนเช่นแฟลชและ EEPROM และมีการกำหนดเวลาอ่าน/เขียนที่เข้ากันได้กับ SRAM (แหล่งรูปภาพ: Renesas Electronics)

MRAM ทำงานอย่างไร

ตามความหมายของชื่อข้อมูลใน MRAM จะถูกจัดเก็บโดยองค์ประกอบการจัดเก็บแม่เหล็ก องค์ประกอบถูกสร้างขึ้นจากแผ่นแม่เหล็กไฟฟ้าสองแผ่นซึ่งแต่ละแผ่นสามารถจับแม่เหล็กได้โดยคั่นด้วยชั้นฉนวนบาง ๆ โครงสร้างนี้เรียกว่าทางแยกอุโมงค์แม่เหล็ก (MTJ) หนึ่งในสองแผ่นเป็นแม่เหล็กถาวรที่ตั้งค่าขั้วเฉพาะระหว่างการผลิต สามารถเปลี่ยนการดึงดูดของจานอื่นเพื่อจัดเก็บข้อมูลได้ เมื่อเร็ว ๆ นี้ Renesas Electronics ได้เพิ่มอุปกรณ์ MRAM ซึ่งใช้ MRAM (STT-MRAM) ที่เป็นกรรมสิทธิ์ของแรงบิดในการถ่ายเทที่เป็นกรรมสิทธิ์ซึ่งขึ้นอยู่กับทางแยกอุโมงค์แม่เหล็กแบบตั้งฉาก (p-MTJ) p-MTJ ประกอบด้วยชั้นแม่เหล็กคงที่และไม่สามารถเปลี่ยนแปลงได้ชั้นกั้นอิเล็กทริกและชั้นเก็บแม่เหล็กไฟฟ้าที่เปลี่ยนแปลงได้ (รูปที่ 2)

รูปที่ 2: เซลล์พื้นฐานของ STT-MRAM ประกอบด้วย MTJ หนึ่งตัวและทรานซิสเตอร์เข้าถึงหนึ่งตัว (แหล่งรูปภาพ: เทคโนโลยี Avalanche)

ในระหว่างการดำเนินการเขียนโปรแกรมการวางแนวแม่เหล็กของชั้นจัดเก็บจะถูกเปลี่ยนทางไฟฟ้าจากสถานะขนาน (สถานะความต้านทานต่ำ“0”) ไปเป็นสถานะต่อต้านขนาน (สถานะความต้านทานสูง“1”) หรือในทางกลับกันขึ้นอยู่กับทิศทางปัจจุบันผ่าน องค์ประกอบ p-MTJ สถานะความต้านทานที่แตกต่างกันทั้งสองนี้ใช้สำหรับการจัดเก็บข้อมูลและการตรวจจับ

กรณีการใช้ MRAM

การบันทึกข้อมูลความทรงจำในโหนด IoT การเรียนรู้ของเครื่อง/ปัญญาประดิษฐ์ในอุปกรณ์ประมวลผลแบบขอบและแท็ก RFID ในโรงพยาบาลเป็นตัวอย่างกรณีการใช้งาน MRAM

ผู้บันทึกข้อมูลต้องการหน่วยความจำแบบไม่ลบเลือนหลายเมกะบิตเพื่อรองรับการสะสมข้อมูลในระยะยาว โดยทั่วไปแล้วจะใช้พลังงานจากแบตเตอรี่ แต่ยังสามารถพึ่งพาการเก็บเกี่ยวพลังงานเพื่อให้ได้พลังงานดังนั้นจึงต้องใช้หน่วยความจำที่ใช้พลังงานต่ำ ในกรณีที่ไฟฟ้าดับข้อมูลที่บันทึกไว้จะต้องถูกเก็บไว้อย่างไม่มีกำหนด MRAM ตอบสนองความต้องการด้านประสิทธิภาพของเครื่องบันทึกข้อมูล

การคงอยู่ของ MRAM รวมกับโหมดพลังงานต่ำมากทำให้เกิดโซลูชันหน่วยความจำแบบรวมสำหรับรหัสและข้อมูลในโหนด IoT ที่ทำงานจากเครื่องเก็บเกี่ยวพลังงานหรือแหล่งแบตเตอรี่ในรูปแบบที่เล็กมาก (รูปที่ 3) เวลาเริ่มต้นมักเป็นข้อพิจารณาที่สำคัญในโหนด IoT การใช้โครงสร้างโค้ดในสถานที่โดยใช้ MRAM สามารถลดเวลาที่ต้องใช้ในการบูตเครื่องรวมทั้งค่าวัสดุโดยรวมเนื่องจากมีความต้องการ DRAM หรือ SRAM น้อยลง

รูปที่ 3: ความเร็วความทนทานและความสามารถในการเก็บรักษาข้อมูลของ MRAM ช่วยให้เป็นไปตามข้อกำหนดหน่วยความจำของโหนด IoT (แหล่งรูปภาพ: เทคโนโลยี Avalanche)

ความคงอยู่ที่นำเสนอโดย MRAM ยังช่วยให้โหนด IoT รุ่นใหม่สามารถเรียนรู้ด้วยเครื่องโดยที่อัลกอริทึมการอนุมานไม่จำเป็นต้องโหลดซ้ำทุกครั้งหลังจากปลุกอุปกรณ์ การประมวลผลภายในรวมถึงการวิเคราะห์ข้อมูลเซ็นเซอร์การตัดสินใจและในบางกรณีแม้กระทั่งการกำหนดค่าโหนดใหม่ ข่าวกรองที่แปลเป็นภาษาท้องถิ่นนี้ต้องการหน่วยความจำแบบต่อเนื่องและใช้พลังงานต่ำ อุปกรณ์เหล่านี้สามารถใช้การอนุมานหยาบในพื้นที่ได้แบบเรียลไทม์และสามารถใช้ระบบคลาวด์เพื่อการวิเคราะห์ขั้นสูง

ความเร็วของ MRAM เป็นประโยชน์สำหรับการนำแมชชีนเลิร์นนิงไปใช้ในอุปกรณ์ที่ทันสมัยเช่นระบบการวางแผนทรัพยากรขององค์กร (ERP) ระบบปฏิบัติการการผลิต (MES) และระบบควบคุมกำกับดูแลและระบบเก็บข้อมูล (SCADA) ในระบบเหล่านี้จะมีการวิเคราะห์ข้อมูลและรูปแบบกลางที่ระบุและแชร์กับโดเมนที่อยู่ติดกัน สถาปัตยกรรมขอบต้องการความเร็วในการประมวลผลและหน่วยความจำถาวร

นักออกแบบยังสามารถใช้ MRAM ในอุปกรณ์ด้านการดูแลสุขภาพที่สามารถใช้ประโยชน์จากการระบุความถี่วิทยุ (RFID) ได้ ใช้พลังงานต่ำเมื่อรวมกับภูมิคุ้มกันต่อรังสีทำให้เหมาะสำหรับสภาพแวดล้อมในโรงพยาบาล แท็ก RFID ในโรงพยาบาลถูกใช้ด้วยเหตุผลหลายประการเช่นการจัดการสินค้าคงคลังการดูแลผู้ป่วยและความปลอดภัยการระบุอุปกรณ์ทางการแพทย์และการระบุและการตรวจสอบวัสดุสิ้นเปลือง

หน่วยความจำ MRAM แบบอนุกรมประสิทธิภาพสูง

ผู้ออกแบบระบบประมวลผลล้ำยุครวมถึงระบบควบคุมอุตสาหกรรมและระบบอัตโนมัติอุปกรณ์ทางการแพทย์อุปกรณ์สวมใส่ระบบเครือข่ายอุปกรณ์จัดเก็บข้อมูล/RAID ยานยนต์และหุ่นยนต์สามารถใช้ RenesasM30082040054X0IWAY(รูปที่ 4) มีความหนาแน่นตั้งแต่ 4 Mbits ถึง 16 Mbits เทคโนโลยี MRAM ของ Renesas นั้นคล้ายคลึงกับเทคโนโลยีแฟลชที่มีการกำหนดเวลาอ่าน/เขียนที่เข้ากันได้กับ SRAM ข้อมูลไม่ผันผวนเสมอด้วย 10¹⁶ เขียนรอบความทนทานและการเก็บรักษามากกว่า 20 ปีที่ 85°C

M30082040054X0IWAY มี Serial Peripheral Interface (SPI) ทำให้ไม่ต้องใช้ไดรเวอร์อุปกรณ์ซอฟต์แวร์ SPI เป็นอินเทอร์เฟซอนุกรมแบบซิงโครนัสซึ่งใช้สายแยกสำหรับข้อมูลและนาฬิกาเพื่อช่วยให้โฮสต์และสแลฟในการซิงโครไนซ์ที่สมบูรณ์แบบ นาฬิกาบอกผู้รับว่าเมื่อใดที่จะสุ่มตัวอย่างบิตบนสายข้อมูล ซึ่งอาจเป็นได้ทั้งการขึ้น (ต่ำไปสูง) หรือตก (สูงไปต่ำ) หรือขอบทั้งสองข้างของสัญญาณนาฬิกา

รูปที่ 4: รวมของ Renesas M30082040054X0IWAY มีการเดินทางข้อมูลทั้งบริหารและย่อย การป้องกันฮาร์ดแวร์ทำได้โดยใช้พิน WP# การป้องกันซอฟต์แวร์ถูกควบคุมโดยบิตการกำหนดค่าในการลงทะเบียนสถานะ โครงร่างทั้งสองขัดขวางการเขียนไปยังรีจิสเตอร์และอาร์เรย์หน่วยความจำ (แหล่งรูปภาพ: Renesas)

M30082040054X0IWAY รองรับ eXecute-In-Place (XIP) ซึ่งช่วยให้สามารถกรอกชุดคำสั่งอ่านและเขียนได้โดยไม่ต้องโหลดคำสั่ง read หรือ write แยกกันสำหรับแต่ละคำสั่ง M30082040054X0IWAY ของ eXecute-In-Place (XIP) ซึ่งช่วยให้สามารถระบายชุดคำสั่งอ่านและเขียนได้โดยไม่ต้องโหลดคำสั่งอ่านหรือเขียนแยกกันสำหรับแต่ละคำสั่ง

รวมของ Renesas M30082040054X0IWAY มีการเดินทางข้อมูลทั้งบริหารและย่อย การป้องกันฮาร์ดแวร์ทำได้โดยใช้พิน WP# การป้องกันซอฟต์แวร์ถูกควบคุมโดยบิตการกำหนดค่าในการลงทะเบียนสถานะ โครงร่างทั้งสองขัดขวางการเขียนไปยังรีจิสเตอร์และอาร์เรย์หน่วยความจำ มีอาร์เรย์จัดเก็บข้อมูลแบบ Augmented 256 ไบต์ซึ่งแยกเป็นอิสระจากอาร์เรย์หน่วยความจำหลัก เป็นโปรแกรมของผู้ใช้และสามารถเขียนป้องกันการเขียนโดยไม่ได้ตั้งใจ

เพื่อรองรับการใช้งานที่ใช้พลังงานต่ำเพิ่มเติม M30082040054X0IWAY มีสถานะพลังงานต่ำกว่าสองสถานะ: Deep Power Down และ Hibernate ข้อมูลจะไม่สูญหายในขณะที่อุปกรณ์อยู่ในสถานะพลังงานต่ำทั้งสองนี้ ยิ่งไปกว่านั้นอุปกรณ์ยังคงการกำหนดค่าทั้งหมดไว้

อุปกรณ์นี้มีจำหน่ายในแพ็คเกจ 8-pad DFN (WSON) และ 8-pin SOIC ขนาดเล็ก แพ็คเกจเหล่านี้เข้ากันได้กับผลิตภัณฑ์ระเหยและไม่ระเหยพลังงานต่ำที่คล้ายกัน มีให้บริการในช่วงอุณหภูมิการทำงานในอุตสาหกรรม (-40°C ถึง 85°C) และอุตสาหกรรมบวก (-40°C ถึง 105°C)

ใช้ MRAM

MRAM สามารถลดการใช้พลังงานโดยรวมได้อย่างมากเมื่อเทียบกับเทคโนโลยีหน่วยความจำอื่น ๆ แต่ปริมาณการประหยัดพลังงานอาจแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับรูปแบบการใช้งานของการออกแบบแอปพลิเคชันเฉพาะ เช่นเดียวกับความทรงจำที่ไม่ลบเลือนอื่นๆ กระแสการเขียนจะสูงกว่ากระแสอ่านหรือสแตนด์บายมาก ด้วยเหตุนี้จึงต้องลดเวลาในการเขียนลงในแอปพลิเคชันที่มีความสำคัญต่อพลังงานโดยเฉพาะอย่างยิ่งในการออกแบบที่ต้องเขียนลงในหน่วยความจำบ่อยๆ เวลาในการเขียนที่สั้นลงของ MRAM สามารถลดการพิจารณานี้และลดการใช้พลังงานเมื่อเทียบกับตัวเลือกหน่วยความจำแบบไม่ลบเลือนอื่นๆ เช่น EEPROM หรือแฟลช

MRAM สามารถประหยัดพลังงานได้มากขึ้นโดยใช้สถาปัตยกรรมระบบ power gating และวางหน่วยความจำไว้ในโหมดเตรียมพร้อมให้บ่อยที่สุด การเพิ่มพลังในการเขียนเวลาของ MRAM ทำให้ MRAM เข้าสู่โหมดสแตนด์บายได้บ่อยกว่าความทรงจำที่ไม่ลบเลือนอื่นๆ การรั่วไหลเป็นศูนย์ของ MRAM เมื่ออยู่ในโหมดสแตนด์บายก็ช่วยได้เช่นกัน โปรดทราบว่ามักจะต้องใช้ตัวเก็บประจุแบบแยกส่วนที่มีขนาดใหญ่ขึ้นเพื่อรองรับความต้องการพลังงานเมื่อใช้ Power gating

คณะกรรมการ MRAM eval

เพื่อช่วยนักออกแบบในการเริ่มต้นใช้งาน M30082040054X0IWAY Renesas จึงจัดเตรียมM3016-EVKชุดประเมิน ประกอบด้วย MRAM 16-Mbit และช่วยให้ผู้ใช้สามารถพัฒนาโซลูชันฮาร์ดแวร์แบบโต้ตอบโดยใช้บอร์ด Arduino ยอดนิยม (รูปที่ 5) ชุด Plug-n-play มีบอร์ดโฮสต์ Arduino และซอฟต์แวร์จำลองเทอร์มินัลที่สื่อสารกับอินเทอร์เฟซ USB ของคอมพิวเตอร์พีซี บอร์ดประเมินผลจะติดตั้งที่ด้านบนของบอร์ดโฮสต์ Arduino UNO ผ่านส่วนหัว UNO R3 โปรแกรมทดสอบที่จัดเตรียมไว้ให้ผู้ใช้สามารถประเมินการทำงานของอุปกรณ์ MRAM ได้อย่างรวดเร็ว

รูปที่ 5: ชุดประเมิน M3016-EVK ติดตั้งที่ด้านบนของบอร์ดโฮสต์ Arduino UNO เพื่อรองรับการประเมินประสิทธิภาพ MRAM อย่างรวดเร็ว (แหล่งรูปภาพ: Renesas)

สรุป

การออกแบบอุปกรณ์ประมวลผลเอดจ์โดยใช้เทคโนโลยีหน่วยความจำแบบเดิมเช่น DRAM, SRAM, แฟลชและ EEPROM จำเป็นต้องมีข้อแลกเปลี่ยนที่หลากหลายซึ่งสามารถ จำกัด ประสิทธิภาพได้ สำหรับการประมวลผลแบบขอบนักออกแบบสามารถมองหา MRAM ที่เพิ่งเปิดตัวซึ่งเสนอการเข้าถึงแบบสุ่มที่แท้จริงทำให้ทั้งการอ่านและการเขียนเกิดขึ้นแบบสุ่มในหน่วยความจำ

ดังที่แสดง MRAM รองรับความต้องการหน่วยความจำของนักออกแบบคอมพิวเตอร์เอดจ์ซึ่งรวมถึงอุปกรณ์ที่ต้องจัดเก็บและดึงข้อมูลโดยไม่ต้องมีเวลาแฝงมาก ใช้พลังงานต่ำเนื่องจากไม่มีการรั่วไหลเมื่ออยู่ในโหมดสแตนด์บาย และความสามารถในการทนต่อรอบการเขียน 10¹⁶ รอบด้วยความสามารถในการเก็บรักษาข้อมูลที่มากกว่า 20 ปีที่ 85°C

การอ่านที่แนะนำ

1. ระบบรักษาความปลอดภัยอัจฉริยะโดยใช้ Edge-Computing