Вход |  Регистрация
 
 
Время электроники Среда, 23 мая
 
 

Это интересно!

Ранее

В российских ведомствах появится защищенный планшет с отечественной ОС

Российские разработчики из ЦНИИ ЭИСУ сообщили о выпуске и отправке на тестирование в ведомства пробной партии отечественных планшетов, действующих под управлением российской операционной системы «РоМОС».

Комплекс радиотехнической разведки 85В6-А «Вега»

Развитие военной техники и вооружений, в том числе создание малозаметных ударных самолетов и высокоточных боеприпасов для них, предъявляет новые требования к системам обороны. Все большее значение приобретают системы радиотехнической разведки (РТР), способные дополнить, а в некоторых случаях и заменить, радиолокаторы.

Правительство намерено выделить еще 30 млн руб. на технопарк для ИТ-компаний в Москве

Технопарк МФТИ, создаваемый при поддержке Parallels, Acronis, «Яндекса» и «1С», может получить дополнительные средства из федерального бюджета.

Реклама

По вопросам размещения рекламы обращайтесь в отдел рекламы

Реклама наших партнеров

 

7 июля

FRAM: универсальная память для регистрации данных

В статье рассматриваются основные преимущества энергонезависимой сегнетоэлектрической памяти (FRAM) производства Fujitsu Semiconductor перед другими типами энергонезависимой памяти и подробно описываются потенциальные области ее применения.



Н

а сегодняшний день известно несколько промышленных технологий производства энергонезависимой памяти и несколько перспективных технологий, не покинувших пока стены научных лабораторий. Самыми старыми и распространенными типами энергонезависимой памяти с электрическим перепрограммированием являются EEPROM и Flash. Эти типы памяти основаны на технологии пространственного переноса заряда, которая практически полностью совместима с КМОП-технологией. Благодаря этому микросхемы памяти EEPROM и Flash до сих пор не имеют конкурентов по себестоимости производства.

Однако они характеризуются рядом существенных недостатков. Первый из них — медленная скорость записи информации, а второй — малое число циклов перезаписи информации, что существенно снижает надежность микросхем памяти этого типа. К тому же, первые микросхемы памяти EEPROM и Flash требовали подачи дополнительного высокого напряжения при программировании — порядка 12 В, что также затрудняло их использование.

Преимущества FRAM

Первой ласточкой, возвестившей наступление новой эры энергонезависимой памяти, стало появление в конце прошлого века принципиально новой сегнетоэлектрической памяти (FRAM). Принцип действия этого типа памяти основан не на пространственном переносе заряда, а на поляризации диэлектрика внешним электрическим полем. С этой целью использовался диэлектрик, сохраняющий поляризацию при снятии внешнего электрического поля. При этом памяти FRAM удалось преодолеть все упомянутые недостатки EEPROM и Flash. Кроме того, память FRAM обладает меньшим полным энергопотреблением по сравнению с EEPROM. Более подробно отличия между памятью FRAM и EEPROM проиллюстрированы на рисунках 1–3.

Рис. 1. Сравнение гарантированного количества циклов перезаписи FRAM и EEPROM

Кроме этих трех преимуществ у сегнетоэлектрической памяти имеется еще пара полезных свойств: стойкость к радиационному облучению (до 50 кГр) и невозможность считать содержимое памяти с кристалла микросхемы различными методами обратного проектирования, например сканирующим атомно-силовым микроскопом, поскольку технология FRAM не переносит заряд.

Рис. 2. Сравнение скоростей записи во FRAM и EEPROM при одинаковых условиях

Рис. 3. Сравнение полного энергопотребления FRAM и EEPROM при одинаковых условиях

К настоящему времени кроме FRAM, Flash и EEPROM используются и другие типы энергонезависимой памяти. Среди них самыми распространенными являются BBSRAM (память SRAM со встроенной батарейкой), nvSRAM (комбинация памяти SRAM и EEPROM) а также MRAM (магниторезистивная RAM). Они обладают как достоинствами, так и недостатками по сравнению с FRAM. Подробное сравнение основных характеристик наиболее перспективных типов памяти можно увидеть в таблице 1.

Таблица 1. Сравнение основных характеристик наиболее перспективных типов быстродействующей энергонезависимой памяти

Характеристики FRAM (Fujitsu) (MB85R4M2TFN-G-ASE1) nvSRAM (Cypress) (CY14B104NA-ZS20XI) MRAM (Everspin) (MR2A16ACYS35)
Время записи, нс 150 20 35
Активный ток (чтение/запись), мА 20 70 80/165
Ток в режиме Standby/Sleep 150/20 мкА 5/- мА 12/- мА
Количество циклов перезаписи Не менее 10¹³ Не ограничено для SRAM, но 1 млн для EEPROM Не ограничено
Время хранения информации, лет 10 (85°С) 20 (не указана) > 20 (не указана)
Внешний конденсатор Не требуется Требуется Не требуется
Влияние внешнего магнитного поля Не влияет Не влияет Влияет (в нашем случае — до 10000 А/м при чтении и записи)

Компания Fujitsu Semiconductor производит широкий ряд микросхем FRAM. Среди них имеется память с параллельным интерфейсом или последовательными интерфейсами SPI и I2C. В настоящий момент доступен объем памяти объемом 4 Кбит…4 Мбит с напряжением питания 1,8–5 В. FRAM с последовательными интерфейсами производится в корпусах SOP-8, которые полностью совместимы с корпусами памяти EEPROM, что упрощает переход от одной технологии к другой. Более подробную информацию по FRAM Fujitsu Semiconductor см. на сайте www.fujitsu.com.

Применение FRAM

А теперь рассмотрим потенциальные области применения памяти FRAM на конкретных примерах.

Как упоминалось, сегнетоэлектрическая память обладает тремя главными преимуществами, которые и определяют ее перспективность для определенного круга задач. Вспомним их еще раз. Во-первых, это самое низкое полное энергопотребление при одинаковой скорости чтения/записи по сравнению с другими типами энергонезависимой памяти. Во-вторых, практически неограниченное число циклов перезаписи данных. В-третьих, большая скорость записи, сравнимая со скоростями записи в оперативную память.

Эти преимущества делают сегнетоэлектрическую память идеальной для устройств регистрации данных в реальном времени с автономной системой питания. Фактические возможности применения этого типа энергонезависимой памяти гораздо шире.

Приборы учета энергоресурсов

К подобным приборам, прежде всего, относятся электронные счетчики потребленной электроэнергии, расхода природного газа, тепла и воды. Эти устройства прямо или косвенно измеряют такие физические величины как электрические токи и напряжения, температуру и давление, а также учитывают их изменение в реальном времени.

Проще говоря, электронные счетчики есть ничто иное как регистраторы данных в реальном времени. К тому же некоторые такие приборы нуждаются в автономном питании.

В этих приборах память FRAM решает следующие задачи:

  1. промежуточное хранение результатов текущих измерений за определенный временной интервал;
  2. долговременное хранение данных по использованным ресурсам для дублирования показаний за определенные отчетные периоды;
  3. хранение текущих настроек приборов в случаях долговременного отключения питания или кратковременных просадок напряжения питания ниже допустимого уровня, в результате которых происходит, например, сброс микроконтроллера;
  4. повышение экономии энергии батарей и аккумуляторов при автономном питании.

Энкодеры, или преобразователи угловых перемещений

Это электромеханические устройства, которые преобразуют углы поворота вращающегося вала в электрические сигналы. Энкодеры бывают двух типов: инкрементальные и абсолютные. Они используются в промышленных роботах, обрабатывающих станках, подъемном и упаковочном оборудовании, лифтах и других приложениях для контроля скорости и координат.

Инкрементальные энкодеры преобразуют один полный оборот вала в определенное количество импульсов. При этом угол поворота определяется простым подсчетом этих импульсов. Абсолютные энкодеры определяют текущий угол поворота оси в любой момент времени, в т.ч. после пропадания питания. Многооборотные абсолютные энкодеры, к тому же, подсчитывают и запоминают количество полных оборотов вала.

В общем случае, структура таких преобразователей включает в себя оптический, магнитный или резистивный датчик угла, микроконтроллер и энергонезависимую память, в качестве которой может выступать FRAM. Частые повороты вала, особенно в многооборотных абсолютных энкодерах, не позволяют использовать стандартную память, например EEPROM или Flash.

Кроме FRAM с этой задачей могли бы справиться и другие типы современной энергонезависимой памяти, например MRAM или BBSRAM. Однако первая из них пока не имеет микросхем с малым объемом памяти (в настоящее время доступна память объемом от 256 Кбит), а вторая требует резервного питания для хранения данных.

Автоматические выключатели

Это электромеханические устройства, разработанные для защиты электрических цепей от повреждения при перегрузке или коротком замыкании. Основными выполняемыми функциями подобных устройств являются обнаружение аномального состояния электрической цепи и прерывание ее соединения с источником энергии в случае обнаружения такого состояния.

В автоматических выключателях используются два основных вида расцепителей: тепловой и электромагнитный. Первый из них представляет собой биметаллическую пластину, нагреваемую протекающим током, которая при превышении допустимого тока изгибается и приводит в действие механизм разрывающий соединение. Время срабатывания такого выключателя зависит от времятоковой характеристики биметаллической пластины и может составлять величины от нескольких секунд до часа.

Второй является расцепителем мгновенного действия и представляет собой электромагнит. В самом простом случае ток защищаемой цепи протекает непосредственно через обмотку электромагнита и при превышении допустимого значения вызывает втягивание сердечника, что приводит в действие механизм расцепления. Время срабатывания электромагнитного расцепителя составляет доли секунды.

Более продвинутые автоматические выключатели с электромагнитным расцепителем, используемые, например, для защиты высоковольтных линий электропередач, должны реагировать на аномальную ситуацию за 1–3 периода сетевого напряжения, т. е. за 20–60 мс и обеспечивать дополнительный функционал по регистрации параметров сети до и вовремя действия аномального явления. С этой целью необходимо использовать энергонезависимую память с быстрым временем записи, например FRAM. Память MRAM или BBSRAM применять для этих задач нецелесообразно по указанным выше причинам.

Устройства беспроводного мониторинга

В популярной ныне концепции «умный дом» и системах промышленной автоматизации все чаще наблюдается переход от традиционных проводных систем передачи информации к беспроводным технологиям, например Wi-Fi, ZigBee, Bluetooth или GSM/GPRS. Подобные устройства осуществляют измерение давления, температуры, потока, уровня и параметров безопасности различных объектов, пока, как правило, в труднодоступных местах, в которых по тем или иным причинам отсутствует возможность прокладки кабелей связи и питания.

Поскольку большинство беспроводных интерфейсов потребляет достаточно большое количество энергии при излучении сигнала, вопрос о снижении энергопотребления таких приборов выходит на первое место среди прочих.

Понизить общее энергопотребление таких устройств можно несколькими путями: использовать микросхемы и электронные модули с малым потребляемым током в активном режиме и с низким напряжением питания; как можно реже осуществлять передачу информации по беспроводным каналам связи; использовать как можно дольше режимы пониженного энергопотребления компонентов. Энергонезависимая память FRAM потребляет минимум энергии при записи информации и практически ничего не потребляет в режиме ожидания. Быстрая запись и практически неограниченное число циклов перезаписи данных позволяют сохранять измеренные значения в реальном времени с промежутком в 0,3 мс и предварительно обрабатывать их в микроконтроллере, снижая, таким образом, частоту пересылки данных по беспроводным интерфейсам.

Эти особенности делают память FRAM идеальной для такого рода приложений.

Программируемые логические контроллеры

В общем случае, программируемый логический контроллер (ПЛК) — это специализированное компьютерное устройство, работающее в режиме жесткой привязки к реальному времени и предназначенное для автоматизированного контроля и управления технологическими процессами. К нему подключаются аналоговые и цифровые датчики, исполнительные механизмы и т.д. Одной из задач ПЛК является обеспечение безопасности оборудования и персонала. Для осуществления этой задачи необходимо в реальном времени отслеживать состояние портов ввода-вывода, хранить эти состояния для последующего анализа и отчетности и очень быстро реагировать на различные внештатные ситуации работы оборудования, сохраняя параметры этих состояний для их последующего недопущения.

Как правило, ПЛК содержат микроконтроллеры или другие процессорные устройства и два вида памяти: память программ и память данных, в которой сохраняются все указанные состояния. В качестве памяти данных используют быстродействующую энергонезависимую память, такую как FRAM, MRAM, BBSRAM и nvSRAM.

DC/AC-инверторы в системах «зеленой» энергетики

Эти инверторы используются как в системах питания on-grid (без промежуточных аккумуляторов для хранения энергии), так и в off-grid (с промежуточными аккумуляторами для хранения энергии) совместно с аккумуляторами, солнечными панелями, ветряными генераторами, дизельными генераторами и другим подобным оборудованием. В задачи инверторов кроме непосредственного преобразования тока из постоянного в переменный входит обеспечение безопасности оборудования на стороне постоянного и переменного токов. В результате возникает необходимость в ежесекундном мониторинге напряжений, токов и частоты сети в круглосуточном режиме. Кроме того, эти устройства должны обеспечивать малое собственное энергопотребление.

Таким образом, важными параметрами энергонезависимой памяти для этого типа приложений являются малое энергопотребление, высокая скорость записи и большое число циклов перезаписи, а этим требованиям удовлетворяет в полной мере только память FRAM.

Автомобильные черные ящики (black boxes)

Помимо всех прочих функций автомобильные черные ящики еще и регистрируют данные. Они записывают и хранят информацию, связанную с транспортными происшествиями и несчастными случаями. Эти сведения включают в себя информацию о скорости, торможении, включенном свете, состоянии дверей, пробеге, ускорении, положении руля и т.д. Для анализа ситуации о происшествии и создания его полной картины требуется записать и сохранить все эти параметры примерно за 20 с непосредственно до происшествия. С этой целью используется быстродействующая энергонезависимая память, но поскольку подобные устройства питаются от бортовой сети автомобиля, они должны обладать малым энергопотреблением. Для таких приложений целесообразнее выбирать память FRAM.

Носимые POS-терминалы, алкотес­теры и т.д.

Это оборудование используется для продажи и контроля билетов, тестирования на степень алкогольного опьянения и других подобных задач. Как правило, подобные устройства оснащаются термопринтерными механизмами для распечатки квитанций или чеков и памятью, которая дополнительно фиксирует информацию для последующей отчетности перед руководством и контролирующими органами. К носимому оборудованию также предъявляются требования по минимизации энергопотребления. В этом случае память FRAM также может прийти на помощь.

Кроме описанных выше ситуаций память FRAM от Fujitsu Semiconductor можно использовать и в некоторых общих случаях. Например, постоянное увеличение объема памяти выпускаемых микросхем позволяет применять их в оборудовании с несколькими типами памяти для замены одной микросхемой FRAM двух и более микросхем SRAM, EEPROM и Flash, что в целом приводит к снижению себестоимости конечного изделия.

Также можно использовать сегнетоэлектрическую память в качестве резервной совместно с обычной SRAM-памятью. Это позволит избавиться от дополнительной батарейки или ионистора, которые питают SRAM при пропадании питания. Преимущества такого решения подробно описаны в таблице 2.

Таблица 2. Преимущества решения по замене резервного источника питания микросхемой FRAM-памяти

Комбинация SRAM + батарейка (ионистор) SRAM + FRAM
Время цикла О (45 нс) О (45 нс)
Выносливость О (не ограничена) О (не ограничена)
Стабильность данных Х (проблемы с напряжением –> потеря данных) О (нет проблем)
Обслуживание Х (требуется замена, даже для ионистора при большом количестве циклов перезарядки) О (не требуется)
Устойчивость к сбоям Х (иногда нужна коррекция ошибок) О (коррекция ошибок не нужна)

Литература

  1. http://edevice.fujitsu.com/fj/DATASHEET/e-ds/MB85R4M2T-DS501-00024-0v01-E.pdf.
  2. www.cypress.com/?docID=39556.
  3. www.everspin.com/PDF/EST_MR2A16A_prod.pdf.

Читайте также:
Энергонезависимая память будущего Fujitsu FRAM
Fujitsu и Panasonic создают фаблес-компанию по производству ИС
Fujitsu пытается продать свою основную фабрику
Fujitsu превратит в планшет лист бумаги с печатным текстом
Энергонезависимая безбатарейная RAM от Cypress Semiconductor
IBM изо всех сил пытается наладить производство FRAM

Источник: журнал «Электронные компоненты»

Оцените материал:

Автор: Сергей Белых, ООО «Алкон», tech11@alkon.net



Комментарии

0 / 0
0 / 0

Прокомментировать





 

Горячие темы

 
 




Rambler's Top100
Руководителям  |  Разработчикам  |  Производителям  |  Снабженцам
© 2007 - 2018 Издательский дом Электроника
Использование любых бесплатных материалов разрешено, при условии наличия ссылки на сайт «Время электроники».
Создание сайтаFractalla Design | Сделано на CMS DJEM ®
Контакты