כיצד להשתמש בזיכרון MRAM לשיפור האמינות, קיצור זמני השיהוי והפחתת ההספק עבור מחשוב קצה

השימוש במחשוב קצה הולך וגדל ביישומים כמו אינטרנט של דברים תעשייתי (IIoT), רובוטיקה, התקנים רפואיים, התקנים לבישים, בינה מלאכותית, כלי-רכב ותכנים ניידים. ביחד עם גידול זה יש צורך בזיכרון עם מהירות גבוהה, שיהוי (Latency) קצר, לא-נדיף, בהספק נמוך ובעלות נמוכה עבור שימושים כגון אחסון תוכניות וגיבוי נתונים. בעוד שקיימות אפשרויות רבות, כולל זיכרון גישה אקראית סטטי (SRAM), זיכרון RAM דינמי (DRAM‏), Flash‏וזיכרון קריאה-בלבד ניתן-לתכנות וניתן-למחיקה חשמלית (EEPROM), אך כל אחת מטכנולוגיות נפוצות אלו מחייבת פשרות בתחום אחד או יותר ההופכים זיכרונות אלו לפחות מאידיאליים עבור מחשוב קצה.

במקום זאת, המתכננים יכולים לחפש זיכרונות גישה אקראית מגנטו-התנגדותיים (MRAM). התקני MRAM, כפי שמשתמע משמם, מאחסנים נתונים באלמנטים של אחסון מגנטי ומציעים גישה אקראית אמיתית, המאפשרים גם לקריאה וגם לכתיבה להתרחש באופן אקראי בזיכרון. המבנה והפעולה שלהם הם כאלה שהם כוללים שיהוי קצר, זליגה נמוכה, מספר מחזורי כתיבה גבוה ושמירת נתונים לזמן ארוך, כשכל אלה הם רצויים ביותר עבור מחשוב קצה.

מאמר זה משווה בקצרה את יכולות הביצועים של טכנולוגיות זיכרון נפוצות כולל EEPROM, SRAM ו- Flash עם אלו של MRAM. לאחר מכן המאמר יבחן את היתרונות של שימוש ב- MRAM במספר יישומי מחשוב קצה, ואז יציג התקני MRAM ספציפיים מבית Renesas Electronics, כמה טיפים לשימוש ב- MRAM ופלטפורמת הערכה שתעזור למתכננים להתחיל בעבודתם.

השוואה בין טכנולוגיות הזיכרון

למתכנני יישומי מחשוב קצה יש מספר טכנולוגיות זיכרון לבחור מתוכן, כשכל אחת מהן מציעה יכולות ביצוע מגוונות ופשרות שונות (איור 1). ה- DRAM מספק לעיתים קרובות את זיכרון העבודה עבור סוגים שונים של מעבדים במהלך הרצת התוכנה. הוא אינו יקר, איטי יחסית (בהשוואה ל- SRAM), גוזל כמויות הספק משמעותיות ושומר על הנתונים רק כל עוד יש הספקת כוח. בנוסף, תאי זיכרון DRAM חשופים להשחתה עקב קרינה.

ה- SRAM מהיר יותר ויקר יותר מ- DRAM. הוא משמש לעתים קרובות כזיכרון Cache עבור מעבדים, בעוד שה- DRAM מספק את הזיכרון הראשי. הוא הרעב ביותר להספק מבין הזיכרונות המתוארים כאן, וכמו ה- DRAM גם הוא זיכרון נדיף. תאי SRAM חשופים להשחתה עקב קרינה, וגם ה- DRAM וגם ה- SRAM מעניקים עמידות גבוהה.

ה- EEPROM הוא זיכרון לא-נדיף המשתמש במתח מיושם חיצונית כדי למחוק את הנתונים. זיכרונות EEPROM הם איטיים, עם עמידות מוגבלת - טיפוסית עד מיליון מחזורים - והם רעבים יחסית להספק. ה- EEPROM הוא כיום הכי פחות בשימוש מבין טכנולוגיות הזיכרון המתוארות כאן.

ה- Flash‏ הוא וריאציה של EEPROM, עם קיבולת אחסון משמעותית יותר ועם מהירויות קריאה/כתיבה גבוהות יותר, אך הוא עדיין איטי יחסית. ה- Flash‏ אינו יקר, והנתונים שורדים תנאי כיבוי של עד 10 שנים. עם זאת, ה- Flash‏ הוא מורכב יותר לשימוש יחסית לסוגי זיכרון אחרים. את הנתונים יש לקרוא בבלוקים ולא ניתן לקרוא אותם בייט אחר בייט. כמו כן, לפני כתיבה מחדש, יש למחוק את התאים. המחיקה צריכה להתבצע בלוק אחר בלוק, ולא על ידי בייטים בודדים.

ה- MRAM, מצידו, הוא זיכרון גישה אקראי אמיתי; המאפשר גם לקרוא וגם לכתוב באופן אקראי. ל- MRAM יש גם אפס זליגה באופן-המתנה, והוא משלב את יכולת העמידה במחזורי כתיבה של ^16‏10 עם יכולת שמירת נתונים מעל 20 שנה ב- 85°C. הוא מוצע כיום בצפיפויות בתחום מ- 4 מגה-ביט (Mbits‏) עד Mbit/s‏ 16‏.

טכנולוגיית MRAM היא אנלוגית לטכנולוגיית Flash‏ עם זמני קריאה/כתיבה התואמים ל- SRAM‏ (ה- MRAM מכונה לפעמים SRAM מתמיד (P-SRAM‏)). הודות למאפייניו, ה- MRAM מתאים במיוחד עבור יישומים החייבים לאחסן ולאחזר נתונים עם שיהוי מינימלי. הוא משלב שיהוי קצר זה עם הספק נמוך, עמידות אינסופית, מדרגיות ואי-נדיפות. החסינות האינהרנטית של ה- MRAM מפני חלקיקי אלפא גם הופכת אותו למתאים עבור התקנים הנחשפים לקרינה באורח קבוע.

איור 1‏: ה- MRAM הוא לא-נדיף כמו ה- Flash וה- EEPROM ויש לו תזמוני קריאה/כתיבה התואמים ל- SRAM. (מקור התמונה: Renesas Electronics)

איך עובד MRAM

כפי שמשתמע מהשם, הנתונים ב- MRAM‏ מאוחסנים באלמנטים של אחסון מגנטי. האלמנטים נוצרים משתי לוחיות פרו-מגנטיות (Ferromagnetic), כל אחת יכולה להחזיק מגנטיזציה, המופרדות על ידי שכבת בידוד דקה. מבנה זה נקרא Magnetic Tunnel Junction‏ (MTJ‏). אחת משתי הלוחיות היא מגנט קבוע המוגדר לקוטביות ספציפית במהלך הייצור; את המגנטיזציה של הלוחית השנייה ניתן לשנות עבור אחסון נתונים. חברת Renesas Electronics הוסיפה לאחרונה התקני MRAM המשתמשים ב- MRAM מסוג Spin Transfer Torque‏ (STT-MRAM‏) קנייני המבוסס על Magnetic Tunnel Junction‏ Perpendicular‏ (p-MTJ‏). ה- p-MTJ כולל שכבה מגנטית קבועה ולא-ניתנת-לשינוי, שכבת מחסום דיאלקטרי ושכבת אחסון פרומגנטית ניתנת-לשינוי (איור 2).

איור 2: התא הבסיסי של STT-MRAM מורכב מ- MTJ אחד ומטרנזיסטור גישה אחד. (מקור התמונה: Avalanche Technology‏)

במהלך פעולת תכנות, האוריינטציה המגנטית של שכבת האחסון ממותגת חשמלית ממצב מקביל (מצב התנגדות נמוכה "0") למצב אנטי-מקביל (מצב התנגדות גבוהה "1"), או להיפך, תלוי בכיוון הזרם דרך אלמנט ה- p-MTJ. שני מצבי התנגדות מובהקים אלו משמשים עבור אחסון נתונים וחישה.

מקרי שימוש ב- MRAM

רישום נתונים, זיכרונות בצומתי IoT, למידת מכונה/בינה מלאכותית בהתקני מחשוב קצה ותגי RFID בבתי חולים הם דוגמאות למקרי שימוש ב- MRAM.

רשמי נתונים דורשים מספר מגה-ביטים של זיכרון לא-נדיף כדי להתאים לצבירת נתונים לטווח ארוך. הם בדרך כלל מוזני סוללות, אך יכולים להסתמך גם על קצירת אנרגיה לצורך הספקת-הכוח, ולכן דורשים זיכרון בהספק נמוך. במקרה של איבוד הספקת-הכוח, יש לשמור על הנתונים המאוחסנים לתמיד. ה- MRAM עונה על דרישות הביצועים של רשמי נתונים.

ההתמדה של MRAM, בשילוב עם אופן אנרגיה נמוכה ביותר, מאפשרים פיתרון זיכרון מאוחד עבור הקוד והנתונים בצמתים של IoT הפועלים מקוצרי אנרגיה או ממקורות סוללות בגורמי צורה קטנים ביותר (איור 3). זמן האתחול הוא לרוב שיקול חשוב בצומתי IoT‏. מימוש מבנה קוד-במקום באמצעות MRAM יכול להפחית את הזמן הדרוש לאתחול, כמו גם את עלות החומרים הכוללת מכיוון שהצורך ב- DRAM או SRAM קטן יותר.

איור 3: יכולות המהירות, העמידות ושמירת הנתונים של MRAM עוזרות לו לעמוד בדרישות הזיכרון של צומתי IoT. (מקור התמונה: Avalanche Technology‏)

ההתמדה שמציע ה- MRAM מאפשרת גם דור חדש של צומתי IoT‏ עם יכולת למידת מכונה כאשר אין צורך לטעון מחדש את אלגוריתמי ההיסק בכל פעם לאחר יקיצת ההתקן. העיבוד המקומי כולל ניתוח נתוני חיישנים, קבלת החלטות, ובמקרים מסוימים אפילו הגדרת תצורה חדשה של הצומת. אינטליגנציה מקומית זו דורשת זיכרון מתמיד ובהספק נמוך. התקנים אלו יכולים ליישם היסק גס מקומי בזמן-אמת ויכולים להשתמש בענן עבור ניתוח משופר.

מהירות ה- MRAM מהווה יתרון במימוש למידת מכונה בהתקני קצה כגון מערכות תכנון משאבי ארגונים (ERP), מערכות ביצוע ייצור (MES‏) ומערכות בקרה ואיסוף נתונים (SCADA). במערכות אלה מנתחים נתונים, מזהים דפוסי ביניים ומשתפים אותם עם תחומים סמוכים. ארכיטקטורת הקצה דורשת מהירות עיבוד וזיכרון מתמיד.

המתכננים יכולים ליישם MRAM גם בהתקני בריאות שבהם זיהוי תדרי רדיו (RFID) יכול להועיל. צריכת ההספק הנמוכה שלו, בשילוב עם החסינות שלה לקרינה, הופכים אותו למתאים עבור סביבות בתי חולים. תגי RFID בבתי חולים משמשים עבור מגוון סיבות כולל ניהול מלאי, טיפול ובטיחות המטופלים, זיהוי ציוד רפואי וזיהוי וניטור של חומרים מתכלים.

זיכרון MRAM טורי עם ביצועים עיליים

המתכננים של מערכות מחשוב קצה, כולל פקדים ואוטומציה תעשייתית, התקנים רפואיים, התקנים לבישים, מערכות רשתות, אחסון/RAID‏, כלי-רכב ורובוטיקה יכולים להשתמש ב- M30082040054X0IWAY‏ מבית Renesas (איור 4). הם זמינים בצפיפויות מ- Mbit/s‏ 4‏ עד Mbit/s‏ 16‏. טכנולוגיית MRAM היא אנלוגית לטכנולוגיית Flash‏ עם זמני קריאה/כתיבה התואמים ל- SRAM‏. הנתונים הם תמיד לא-נדיפים עם עמידות של ^16‏10 מחזורי כתיבה ונשמרים מעל 20 שנה ב- 85°C.

ל- M30082040054X0IWAY יש ממשק היקפי טורי (SPI), החוסך את הצורך במנהלי התקני תוכנה. ה- SPI הוא ממשק טורי סינכרוני המשתמש בקווים נפרדים עבור נתונים ושעון כדי לעזור לשמור על המארח ועל ה- Slave בסינכרון מושלם. השעון אומר למקלט מתי בדיוק לדגום את הביטים בקו הנתונים. זה יכול להיות בעלייה (מנמוך לגבוה) או בירידה (מגבוה לנמוך) או בשתי הקצוות של אות השעון.

איור 4: ה- M30082040054X0IWAY מציע תוכניות הגנת נתונים מבוססות חומרה ותוכנה גם יחד. ההגנה בחומרה היא דרך פין WP#‎. ההגנה בתוכנה מבוקרת באמצעות ביטים לתצורה באוגר הסטטוס. שתי התוכניות מונעות כתיבה למערכי האוגרים והזיכרון. (מקור התמונה: Renesas)

ה- M30082040054X0IWAY תומך ב- (eXecute-In-Place (XIP המאפשר השלמת סדרה של פקודות קריאה וכתיבה מבלי לטעון בנפרד את פקודת הקריאה או הכתיבה. כך, אופן XIP חוסך תקורת פקודות ומקצר את זמן הגישה האקראית לקריאה וכתיבה.

ה- M30082040054X0IWAY מציע תוכניות הגנת נתונים מבוססות חומרה ותוכנה גם יחד. ההגנה בחומרה היא דרך פין WP#‎. ההגנה בתוכנה מבוקרת באמצעות ביטים לתצורה באוגר הסטטוס. שתי התוכניות מונעות כתיבה למערכי האוגרים והזיכרון. יש לו מערך אחסון משופר של 256 בייטים שאינו תלוי במערך הזיכרון הראשי. הוא ניתן לתכנות על ידי המשתמש וניתן להגן עליו מפני כתיבה שלא במתכוון.

כדי להתאים עוד יותר עבור יישומים עם צריכת הספק נמוך ל- M30082040054X0IWAY יש שני אופני הספק נמוךיותר: הדממה והיברנציה. הנתונים לא הולכים לאיבוד בזמן שההתקן נמצא בשני אופני הספק נמוך אלו. יתר על כן, ההתקן שומר על כל התצורות שלו.

ההתקן זמין במארזי (DFN (WSON עם 8 פדים ו- SOIC עם 8 פינים עם חתימת-שטח קטנה. מארזים אלו תואמים למוצרים נדיפים ולא-נדיפים דומים בהספק נמוך. ההתקן מוצע בתחומי טמפרטורות פעולה תעשייתי (40°C- עד 85°C) ותעשייתי-פלוס (40°C- עד 105°C).

השימוש ב- MRAM‏

ה- MRAM יכול להפחית משמעותית את צריכת האנרגיה הכוללת בהשוואה לטכנולוגיות זיכרון אחרות. אך מדית החיסכון באנרגיה יכולה להשתנות בהתאם לדפוסי השימוש בתכן היישום הספציפי. בדומה לזיכרונות לא-נדיפים אחרים, זרם הכתיבה גבוה בהרבה מזרם הקריאה או באופן-המתנה. כתוצאה מכך, יש לקצר למינימום את זמני הכתיבה ביישומים קריטיים-להספק, במיוחד בתכנים הדורשים כתיבה תכופה לזיכרון. זמני הכתיבה הקצרים יותר של ה- MRAM יכולים להקל על שיקול זה ולהפחית את צריכת האנרגיה בהשוואה לזיכרונות לא-נדיפים אחרים, כגון EEPROM או Flash‏.

חיסכון נוסף באנרגיה אפשרי עם ה- MRAM באמצעות ארכיטקטורת מערכת של פתיקה (Gating) והעברת הזיכרון לאופן-המתנה לעיתים קרובות ככל האפשר. זמן ההתנעה לכתיבה המהיר יותר של ה- MRAM‏ מאפשר העברת ה- MRAM‏ לאופן-המתנה בתדירות גדולה יותר לעומת זיכרונות לא-נדיפים אחרים. האפס-זליגה של ה- MRAM באופן-המתנה עוזרת גם כן כאן. שימו לב שלעתים יש צורך בקבל ביטול-צימוד (Decoupling) גדול יותר כדי לתמוך בצורכי האנרגיה בהתנעה כאשר משתמשים בפתיקת (Gating) הספקת-הכוח.

לוח ההערכה עבור ה- MRAM‏

כדי לעזור למתכננים בצעדים הראשונים שלהם עם ה- M30082040054X0IWAY, חברת Renesas מספקת את ערכת ההערכה M3016-EVK‏. הערכה כוללת את ה- MRAM‏ Mbit‏-16‏ ומאפשרת למשתמשים לפתח פתרונות חומרה אינטראקטיביים באמצעות לוח Arduino הפופולרי (איור 5). ערכת ה- Plug-n-Play כוללת לוח מארח Arduino ותוכנת אמולטור מסוף המתקשרת עם ממשק USB של המחשב האישי. לוח ההערכה מורכב על גבי הלוח המארח של Arduino UNO‏ באמצעות פסי-הפינים UNO R3. תוכניות הבדיקה המסופקות מאפשרות למשתמשים להעריך במהירות את הפונקציונליות של התקן ה- MRAM.

איור 5: ערכת ההערכה M3016-EVK מורכבת על גבי הלוח המארח Arduino UNO‏ כדי לתמוך בהערכה מהירה של ביצועי ה- MRAM. (מקור התמונה: Renesas)

סיכום

תכנון התקני מחשוב קצה המשתמשים בטכנולוגיות זיכרון קונבנציונליות כמו DRAM ,SRAM ,Flash‏ ו- EEPROM דורש פשרות שונות העלולות להגביל את הביצועים. עבור מחשוב קצה, המתכננים יכולים לחפש זיכרונות MRAM שהושקו לאחרונה המציעים גישה אקראית אמיתית ומאפשרים קריאות וכתיבות באופן אקראי לזיכרון.

כפי שהוצג, ה- MRAM תומך בצורכי הזיכרון של מתכנני מחשוב קצה, כולל: התקן הצריך לאחסן ולאחזר נתונים מבלי להיכנס לזמני שיהוי ארוכים; צריכת הספק נמוכה עקב אפס זליגה באופן-המתנה; והיכולת לעמוד ב- ^16‏10 מחזורי כתיבה עם יכולת שמירת נתונים של יותר מ- 20 שנה בטמפרטורה של 85°C.

קריאה מומלצת

1. מערכות אבטחה חכמות המשתמשות במחשוב קצה