Dlouhověké NOR Flash s malou hustotou přejí vestavným aplikacím

Malé, samostatné a také vestavné systémy, kupříkladu aplikace pro otevírání garážových vrat, elektrické vrtačky, vybavení výrobních linek nebo zařízení provádějící rozbory v oboru medicíny, zpravidla obsahují osmi- či šestnáctibitový mikrokontrolér (MCU) obklopený hromadou analogových prvků a integrovaných obvodů (IO) navržených pro účely snímání, displejem a IO zajišťujícími komunikační rozhraní a v některých případech rovněž i součástkami v podobě pamětí SRAM, EEPROM a NOR Flash, které však nejsou přímo součástí zvoleného mikrokontroléru – viz obr. 1.

Výrobci koncových zařízení zažívají největší radost, pokud se takové průmyslové produkty či medicínská zařízení udrží na trhu po dobu dvaceti let, příp. ještě déle. Jakmile tedy dodavatel integrovaného obvodu oznámí v důsledku zavedení nového procesu tzv. EOL (end-of-life), bude to na straně výrobců výše zmiňovaných systémů obvykle znamenat určité rošády, při kterých je zapotřebí jinak využívat lidské zdroje, zatímco ve stávajících projektech navíc počítáme s nečekanými výdaji.

Z hlediska „dlouhověkosti“ součástek se mimořádně zatěžujícími prvky stávají právě obvody NOR Flash (typicky od 1 Mb do 8 Mb, což také v dané oblasti zcela postačuje). Důvod spočívá v tom, že se budou obchodní rozhodnutí výrobců pamětí odvíjet spíše od členů rodiny NOR Flash s vyšší hustotou (256 Mb až do více než 1 Gb), takže zde máme neustálý tlak na procesy s menší geometrií a také kratší životní cykly produktu. Níže v článku se proto zaměříme na komplikace spojené s dlouhověkostí u pamětí NOR Flash a řešením, které zde nabízí ve společnosti Microchip Technology.

Paměti s malou hustotou

Přední výrobci pamětí NOR Flash se zcela správně zaměřují na své paměťové prvky s vysokou hustotou, velkými výrobními objemy a také vysokými maržemi. Každá firma je totiž odpovědná za to, aby se soustředila na své silné stránky, takže bude schopna co nejvíce navyšovat zisk, zatímco pro své zákazníky při minimální koncové ceně zajistí nejvyšší možnou hodnotu. Během čtyř dekád ve znamení pamětí NOR Flash to pak znamenalo, že výrobci, kteří na trhu ještě zůstali, museli opustit své dřívější produkty s menší hustotou. S tím, jak nabídka na horním konci stoupá ještě výše, jsou v několika posledních letech produkty na samotné spodní hranici hustot paměti stiženy EOL a stejný posun je rovněž zaznamenán i zde. Pro výrobce, kteří u svých vestavných systémů počítají s životností produktu po dobu dvaceti let, může takové přerušení v dodávkách IO znamenat nejen novou verzi součástek, ale dokonce i jejich nového dodavatele.

Jeden ze způsobů, jak tento palčivý problém vyřešit, spočívá v „zastřešení“ systémového návrhu na základě paměti NOR Flash o velikosti 128 Mb, která by zde mohla pojmout 4 Mb samotného kódu. Tímto způsobem ale můžeme zcela evidentně zapříčinit nehospodárné nakládání s energií, celkové náklady nevyjímaje. Jiné řešení pak předpokládá netradiční dodavatele pamětí NOR Flash, kterým se z nějakých obchodních důvodů vyplatí udržovat při životě stejný paměťový prvek po dobu více než dvaceti let. Takový výrobce možná kvůli objemu svých dodávek neumí hned napoprvé nabídnout aktuálně nejnižší cenu, ovšem v průběhu času, přihlédneme-li k pravděpodobným úpravám v návrhu, nákladům na vynucené změny a také potřebě vyčlenit pro zmíněné účely kvalifikované lidi, se bude nejspíš jednat o mnohem levnější řešení přerušené dodávky obvodů.

Tato situace se dotýká široké obce vývojářů vestavných systémů, takže vzniklý problém ve společnosti Microchip rozpoznali již před léty. Negativní vliv trendů spojovaných s hustotou pamětí na obchodní plány a také cíle vyžadoval změnu ve strategii. Výsledkem se tak stává netradiční dodavatel paměťových obvodů NOR Flash, který stejně tak umí nabídnout i sériové SRAM, sériové EEPROM, analogové součástky nebo např. integrovaná čidla. Zmíněné „jiné obchodní důvody“ poskytují motivaci k tomu, aby zůstala zachována dodávka integrovaných pamětí NOR Flash s malou hustotou, a to po celou dobu, kdy je zákazníci budou potřebovat. Povšimněte si, že se takové ambice aktuálně zastavují nad velikostmi 64 Mb, kde již příslušní dodavatelé pamětí budou pokračovat v zajištění produktů po dobu dalších dvaceti nebo i více let.

Obr. 1 nám ilustruje přesně takové druhy systémů, o kterých zde hovoříme, tedy mikrokontrolér obklopený dalšími integrovanými obvody, takže je možné vestavné aplikaci „vdechnout“ nejen život, ale dát ji též nějaký smysl. V našem případě pak bude paměť NOR Flash o velikosti 8 Mb (na obr. 1 je zvýrazněna) obsahovat několik různých obrazů sdílených přes výstup obvodu obsluhujícího displej s dotykovým rozhraním, pokaždé když je program zavolá (v tomto případě je kód řešený v rámci mikrokontroléru). Mezi klíčové vlastnosti tohoto IO – vnější paměti NOR Flash pak zařadíme:

1) velikost 8 Mb

2) standardní rozhraní SPI

3) malý proudový odběr v pohotovostním režimu

4) nízká spotřeba při zápisu

5) malá zastavěná plocha na desce

6) dostupnost ve výrobě po dobu 20 let

Tab. 1 nyní porovnává dvě předkládaná řešení – IO v podobě 128Mb paměti NOR Flash pro budoucí zastřešení projektu a 8Mb NOR Flash s dlouhodobou dostupností od netradičního dodavatele pamětí. Je zcela zřejmé, že nejlépe vyhovíme požadavkům vestavné aplikace právě ve druhém případě.

NOR Flash s malou hustotou a její využití

Z výše uvedeného vyplývá, že zatímco paměti NOR Flash s malou hustotou nemusí zapadnout do plánů či strategií dodavatelů velkých NOR Flash, v případě nabídky produktů pro společnosti zabývající se vestavnými technologiemi a také u souvisejících systémových strategií zaznamenají skvělou odezvu. V běžné domácnosti se kupříkladu najdou klidně desítky vestavných systémů s 8-, 16- nebo snad i 32bitovými MCU. Většina takových systémů přitom nevyžaduje obrovské množství kódu, takže zde paměť NOR Flash často využíváme v souvislosti s programem, kalibračními daty, kalibračními parametry, záznamem provozních událostí apod.

I když mnoho MCU pro nastíněné účely přichází s vlastní, vestavěnou pamětí Flash, existují případy, třeba jako na obr. 1, kde pro některé z takových úkolů dává externí NOR Flash větší smysl. Běžně se tak může jednat o vyvažování nákladů na celou rozpisku součástek systému (BOM) versus nabízené velikosti Flash u mikrokontroléru, nevhodné spojení funkcí mikrokontroléru oproti velikostem embedded Flash, kratší dobu potřebnou k přepisu, pokud jde o testy ještě ve výrobě, příp. též během aktualizací v ostrém provozu atd.

Obvody ASIC (application-specific integrated circuit) s menším počtem hradel, pole FPGA (field-programmable gate array) a také prvky CPLD (complex programmable logic device) kromě toho využívají malé paměti NOR Flash k programování (IAP), bootování a také v případě XIP (execute-in-place). Paměti NOR Flash se jako integrované obvody pro účely technologie XIP skvěle hodí. Výsledkem je malý odběr v režimu standby. Jsou také rovnou přístupné prostřednictvím standardního sériového rozhraní, jako je SPI.

Paměťové součástky NOR Flash s malou hustotou, dostupné v pouzdrech s osmi piny, jako jsou 8vývodová SOIC či WDFN s osmi kontakty (6 × 5mm), budou navíc z pohledu velikosti zastavěné plochy na desce velmi efektivním řešením. Pro aplikace s omezeným prostorem, třeba v elektrických kartáčcích na zuby, pak pouzdra typu WLCSP (Wafer Level Chip Scale Package) zajistí výraznou úsporu místa (téměř o 69 %), jak to také plyne z obr. 2.

ReFlash 1000krát rychleji

Ačkoli společnost Microchip není tradičním dodavatelem pamětí, vyrábí řadu pamětí Flash. Každým rokem třeba opustí linky miliardy mikrokontrolérů s vlastní Flash. Výrazné technické a rovněž i strategické výhody se také pojí s odvozenou technologií SuperFlash®. Zmíněné buňky paměti Flash pak budou strukturovány tak, aby při mazání umožnily dosažení vůbec nejkratších časů – v případě bloku tedy 20krát rychleji a pro celý čip dokonce 1000krát rychleji.

Zatímco se s pojmem „reflashing“ ve světě dodavatelů velkých pamětí NOR Flash běžně nesetkáváme, v prostředí malých vestavných systémů, kde nám půjde o snižování výrobních nákladů (reflashing obrazu paměti na výrobní lince; spojeno s lepším pokrytím při testech) a kde také oceníme energeticky nenáročný a rychlý způsob, jak přímo v provozu aktualizovat systém, to může představovat ohromnou výhodu.

Pokud se ještě jednou vrátíme ke srovnání se 128Mb pamětí, bude NOR Flash o velikosti 128 Mb (bez technologie SuperFlash®) ke smazání bloku typicky potřebovat 0,7 až 1 s (max.). NOR Flash o velikosti 8 Mb (s vylepšením v podobě SuperFlash®) si naproti tomu ve stejném případě vyžádá pouze 25 ms (30krát rychlejší). Vedle časové úspory u cyklu rewrite rovněž počítejme s odlišným příkonem při mazání každého bloku (přibližně 800 ms × 33 mA).

Do nových návrhů patří NOR Flash

Jako přední dodavatel řešení pro chytré, vzájemně propojené a také zabezpečené vestavné systémy řízení zde může společnost Microchip Technology mnoho věcí sledovat z naprosto jedinečné perspektivy. Paměti NOR Flash pak v rámci takového přehledu tvoří nedílnou součást. Aby výrobce posílil důvěru v návrhy, které tak mohou prospěšně fungovat i desítky let, zavedl praxi, při které zajišťuje dostupnost příslušných produktů po tak dlouhou dobu, jak jen to budou zákazníci vyžadovat.

A tak zatímco někteří dodavatelé mohou paměti NOR Flash opouštět a třeba zde vyhlásí EOL, zmíněný příslib dokáže zaručit dostupnost pro středně velké, malé, a dokonce i velké projekty. Taková dlouhověkost tedy zajistí, že zákazníci nakonec obdrží to, co je pro vestavné systémy potřeba, a to po tak dlouhou dobu, jak to bude skutečně zapotřebí.

SuperFlash® je registrovanou ochrannou známkou společnosti Microchip Technology.