Ключевые направления развития процессорных систем

В настоящее время разработчики встраиваемых систем переходят от постепенного улучшения параметров устройств к стратегии построения более долгосрочных и перспективных решений, которые могут привести к созданию новых классов встраиваемых электронных систем. Многие производители конечного оборудования рассчитывают на то, что разработчики кристаллов смогут сделать качественный технологический прорыв, позволяющий создать продукты следующих поколений.

Энергонезависимая память

В течение последних лет рынок энергонезависимой памяти в основном был ограничен несколькими приложениями, в частности, в автомобильной промышленности, в области смарт-карт, в медицинском и космическом оборудовании, а компании-заказчики были вынуждены вкладывать дополнительные средства, т.к. процесс производства кристаллов памяти не был достаточно эффективным и дешевым.

Однако существует также ряд перспективных приложений, таких как сбор энергии, сети беспроводных датчиков, системы автоматизации и безопасности зданий, а также глубоко встроенные (deeply embedded) системы (где ручное управление системой почти невозможно), в которых требуется память с весьма низким энергопотреблением, высокой надежностью и радиационной стойкостью.

Дальнейшее развитие существующих технологии памяти на рынке встраиваемых процессоров и систем-на-кристалле (СнК) в настоящее время ограничено из-за двух основных проблем. Во-первых, скорость процессора и его эффективность опередили возможности памяти, что вынудило создавать сложные по архитектуре модули, в которых используются нестандартные решения.

Во-вторых, многие процессоры сегодня работают при весьма низком напряжении питания (1…3 В). Наиболее широко распространенная на сегодняшний день флэш-память использует для записи напряжение величиной более 10 В. Это заставляет разработчиков включать в состав микросхем блоки накачки заряда, что увеличивает площадь кристалла и, соответственно, его стоимость.

В таблице 1 приведена сравнительная оценка нескольких перспективных технологий памяти, включая память на фазовых переходах (Phase Change Memory), магниторезистивное ОЗУ (Magnetoresistive RAM), сегнетоэлектрическое ОЗУ (Ferroelectric RAM), а также флэш-память со структурой SONOS.

Таблица 1. Типы энергонезависимой памяти

	Стоимость	Быстродействие	Универсальность	Энергопотребление	Надежность
PCM (PRAM)	*	***	*	**	**
MRAM	**	***	***	**	**
FRAM (FeRAM)	***	***	***	***	***
Флэш-память SONOS	**	**	***	*	***

В течение следующих нескольких лет определится, какой вид памяти будет развиваться успешно, а какой потерпит поражение. Каждый из этих типов памяти имеет свои преимущества и недостатки.

Память на фазовых переходах (PCM)

Базовым принципом функционирования такой памяти является трансформация вещества (из семейства т.н. халькогенидных стекол) из аморфного состояния в кристаллическую структуру при нагреве (путем инжекции тока в кристалле или при воздействии лазера в оптической памяти). Когда материал меняет свое состояние из аморфного в кристаллическое, его сопротивление и отражающая способность резко меняются.

В настоящее время на рынке доступны кристаллы PCM или PRAM, однако из-за температурной нестабильности и высокой стоимости пока не удалось создать PCM, встроенную в процессор.

Преимущества у PCM следующие.

1. Время доступа не более 100 нс.

2. Программируемость на уровне произвольных битов (ОЗУ).

3. Скорость записи/стирания в 30 раз превышает этот показатель для флэш-памяти.

4. Не требуется отдельный цикл стирания, но скорость записи меньше, чем у SRAM.

5. Масштабируемость технологии при использовании новых типов литографии.

6. Возможность использования до четырех состояний каждого элемента памяти, что удваивает информационную емкость.

7. Количество циклов записи доходит до 1 млн.

8. Срок хранения данных до 300 лет при температуре 85°C.

Недостатки PCM.

1. Высокая плотность тока (не менее 107 А/см2), которая требуется для изменения состояния памяти.

2. Температурная чувствительность, особенно для многобитных ячеек памяти.

3. Программируется только в системе (а не в процессе производства) из-за высоких температур размягчения материала во время процесса стирания.

4. Временной дрейф сопротивления и порогового напряжения (важно для многобитного хранения данных).

5. Экономически эффективное массовое производство для применения в СнК можно запустить не ранее, чем через несколько лет.

Магниторезистивное ОЗУ (MRAM)

В данной технологии ячейки памяти также не программируются электрически, а информация определяется соответствующим состоянием намагниченности элемента памяти.

Память считывается путем выбора элемента с помощью транзистора, затем измеряется его электрическое сопротивление.

В настоящее время несколько компаний производит кристаллы MRAM, а одна из них имеет планы по созданию СнК со встроенной MRAM.

Преимущества MRAM.

1. Топология кристалла может быть разработана по 65-нм нормам.

2. Высокая плотность размещения элементов памяти, приближающаяся по этому показателю к DRAM.

3. Универсальная память: нет жесткого разграничения между участками RAM и памятью программ; системная память может быть разделена произвольно.

4. Скорость доступа достигает 150 МГц при использовании 90-нм технологии.

5. Теоретически достижимое время доступа составляет 2 нс.

6. Устойчивость к радиации.

Недостатки MRAM.

1. Трудности при изготовлении кристаллов с нормами менее 180 нм из-за сложных методов записи (для 65-нм процесса требуется использовать метод переключения и передачи спинового вращательного момента).

2. Непредсказуемые последствия масштабирования при нормах менее 65 нм.

3. Чувствительность к внешним магнитным полям.

4. Слишком дорогостоящий вид памяти из-за сложной архитектуры и необходимости соблюдения точного расстояния между линиями записи при изготовлении кристалла.

5. Необходимость использования высокого тока для генерирования электрического поля для записи в память.

Сегнетоэлектрическое ОЗУ (FRAM)

Сегнетоэлектрический эффект, который используется в памяти данного типа, — это возможность материала сохранять электрическую поляризацию в отсутствие внешнего электрического поля. Сегнетоэлектрические материалы нечувствительны к магнитным полям и рентгеновскому излучению.

В настоящее время только две компании предоставляют лицензию на данную технологию и производят FRAM серийно, в т.ч. Texas Instruments. Самая высокая доступная емкость кристалла FRAM, производимая TI для компании Ramtron, равна 4 Мбайт, однако существует также несколько видов памяти для смарт-карт, которые производятся Ramtron. На сегодняшний день наиболее сложные СнК имеют встроенную FRAM емкостью лишь 16 Кбайт.

Преимущества FRAM.

1. Малая мощность потребления: кристаллы можно программировать напряжением 1,5 В без накачки заряда.

2. Надежность: отсутствие потери данных при провале питания во время работы устройства.

3. Долговечность: до 100 трлн циклов записи.

4. Более высокое быстродействие (в 1000 раз), чем у обычной флэш-памяти (время выборки слова — 50 нс).

5. Компактный элемент памяти (один транзистор — один элемент): малый размер кристалла.

6. Почти нулевая частота появления ошибок: высокая радиационная стойкость.

7. Совместимость с существующей КМОП-технологией и простота перехода на новые технологические нормы.

8. Гибкость: можно использовать как универсальную память (кэш-память, память данных и память программ) из-за ее высокого быстродействия.

9. Безопасность: стойкость к влиянию световых вспышек из-за отсутствия накачки заряда; высокая скорость записи/чтения не позволяет сканировать данные.

10. Высокая плотность размещения элементов памяти: более компактная ячейка памяти, чем у флэш-памяти (6T), но крупнее, чем у DRAM (1T-1C).

Недостатки FRAM.

1. Невысокая информационная емкость (на сегодня не более 32 Кбайт встроенной памяти).

2. Разрушающая природа операции считывания, т.е. каждый цикл чтения является также циклом записи (этот недостаток компенсируется чрезвычайно высоким допустимым числом циклов записи).

Флэш-память со структурой SONOS

Разница между SONOS-памятью и обычной флэш-памятью заключается в том, что в SONOS (Silicon-Oxide-Nitride-Oxide-Silicon) используется изолирующий слой нитрида кремния Si3N4 вместо слоя поликристаллического кремния. SONOS-транзистор напоминает транзистор МНОП (MNOS). В SONOS-ячейках функцию плавающего затвора и окружающего его изолятора выполняет композитный диэлектрик ONO.

Преимущества флэш-памяти SONOS.

1. Технологический процесс изготовления памяти весьма похож на стандартный КМОП-процесс, поэтому для внедрения серийного производства нужны минимальные изменения технологии (не более 10 дополнительных операций).

2. Масштабируемость технологии до минимальных размеров менее 45 нм.

3. Число циклов записи достигает 1011.

4. Безопасность: нельзя считать память с помощью электронного микроскопа или путем ионного сканирования.

5. Время хранения данных до 15 лет при температуре 85°C, или 100 тыс. циклов записи.

Недостатки флэш-памяти SONOS.

1. Требуется повышенное напряжение записи, как и в существующей флэш-памяти, поэтому необходимо применение сложных схем на кристалле.

2. Невысокое быстродействие (время записи до 5…10 мс, время стирания — до 10 мс) требует сложной архитектуры для сопряжения с более быстродействующим ядром процессора, что увеличивает стоимость кристалла.

3. Проблемы безопасности из-за возможности потери заряда.

Принимая во внимание преимущества и недостатки рассмотренных технологий памяти, а также возможности сегодняшнего производства, по-видимому, память FRAM наиболее близка к тому, чтобы занять лидирующее положение в этом соревновании.

Гиперинтегрированные микроконтроллеры

Микроконтроллеры (МК) в настоящее время представляют собой удивительный пример сочетания на одном кристалле самых передовых решений. Современные МК могут содержать до 2 млн вентилей на кристалле и выполнять множество функций.

Увеличение степени интеграции МК и других компонентов диктуется стремлением выхода на новые рынки и снижения стоимости существующих приложений. За последние два года такие функциональные узлы и блоки как многоядерные процессоры, ядра с плавающей запятой, различные варианты USB-контроллеров (Host, Device и On-The-Go), беспроводное радио, операционные усилители, высокопроизводительные АЦП/ЦАП и усовершенствованные контроллеры дисплеев (VGA, QVGA) были реализованы на отдельном МК. В течение следующих двух лет появятся новые компоненты, интегрированные на одном кристалле.

Ясно, что несколько направлений развития интегрированных СнК ждут хорошие перспективы на рынке. Эти направления включают беспроводные коммуникационные интерфейсы (Zigbee, Bluetooth и WiFi), интегрированные модули управления питанием (многоуровневая система питания на кристалле и вне его), модули для аккумулирования энергии, необходимой для работы кристалла, из внешней среды (системы сбора энергии), а также специализированные модули, подобные медицинским датчикам и аналоговым интерфейсам.

Проводные и беспроводные коммуникационные устройства

Реализация беспроводных коммуникационных устройств (обычно РЧ-устройств) на одном кристалле является, по-видимому, наиболее заметной областью развития интегрированных систем, однако трудной задачей является построение РЧ-схемы на печатной плате, а в масштабе кристалла сложности возрастают на порядки.

Маломощная радиочастотная СнК содержит лишь микроконтроллер на базе процессора 8051. Объединение таких совершенно разных узлов на кристалле сопряжено с известными трудностями из-за проблем, связанных с наличием помех, согласованием импедансов, передачей данных и реализацией множества беспроводных протоколов и типов модуляции.

Во многих случаях каждое разработанное монолитное устройство, содержащее РЧ-часть и МК, позволяет упростить проектирование кристалла следующего поколения. В перспективе это приведет к росту числа интегрированных РЧ-решений, а также к появлению специализированных устройств данного типа.

Кроме того, успехи в разработке 3-мерных многослойных структур и новых корпусов позволили интегрировать больше разнотипных приборов в одном чипе. Например, компания ZeroG Wireless начала создавать маломощные модули WiFi, которые позволяют создавать интеллектуальные электросети. Объединение данной технологии с существующими МК в пределах кристалла является лишь вопросом времени.

Интерфейсы для проводной связи уже являются весьма распространенными периферийными устройствами. Несколько различных производителей МК использует интерфейсы CAN, Ethernet 10/100 и full-speed USB на одном кристалле. На рынке имеется даже небольшой 100-МГц МК, в который встроен высокоскоростной интерфейс USB 2.0 (со скоростью передачи 480 Мбит/с).

Совершенствование периферии в приборах данного класса происходит не только за счет реализации узлов аппаратного ускорения, таких как контроллеров PHY- и MAC-уровня и встроенных блоков управления питанием, но и путем внедрения других протоколов, например IEEE 1394, DALI для систем освещения и LIN/FlexRay для автомобилей.

Интегрированные устройства для специализированного оборудования

Интегрирование нескольких модулей для специализированного оборудования является в настоящее время одной из важнейших тенденций.

Малое время проектирования и быстрое создание прототипов позволили производителям предложить огромное количество интегрированных аналоговых компонентов, так что потребители имеют возможность выбрать те чипы, которые идеально подходят для узкоспециализированных крупносерийных приложений.

Конкурентная борьба в этой области настолько сильна, что новые приложения пользуются повышенным спросом еще до появления первых реальных устройств на рынке. Примерами такого развития рынка могут служить персональные медицинские устройства.

Идеальный специализированный микроконтроллер для применения в медицинской технике должен обладать следующими свойствами: компактные размеры, чрезвычайно малое энергопотребление, возможность имплантации и питания от системы сбора энергии или компактной батареи, иметь встроенные 8- или 10-разрядные АЦП, операционные усилители для преобразования сигналов, маломощный центральный процессор и даже, возможно, 415-МГц РЧ-блок.

Другой интересной областью, в которой происходит интеграция на уровне специализированных устройств, являются системы контроля и учета энергоресурсов. В настоящее время растет интерес к созданию интеллектуальных электросетей, поэтому многие компании включились в конкурентную борьбу на этом рынке.

Управление питанием и сбор энергии

Проблема снижения энергопотребления занимает в настоящее время одно из важнейших мест в отрасли. МК всегда были на передовом рубеже борьбы за энергоэффективность, т.к. они интегрируют функции управления питанием, которые традиционно выполняли отдельные микро-
схемы.

Уже существуют устройства с интегрированными стабилизаторами с низким падением напряжения, детекторами провалов напряжения питания, преобразователями напряжения и многоуровневой системой питания ядра процессора, но эти элементы нельзя было программировать.

В перспективе устройства будут использовать несколько уровней напряжения в обычном режиме, причем каждый из них можно изменить через операционную систему или с помощью конечного автомата, запрограммированного в чипе. Встроенное управление питанием — ключевое отличительное качество многих МК, т.к. размер печатных плат уменьшается, количество компонентов на плате увеличивается, а все они требуют напряжения и токи разной величины.

Весьма новой и сложной областью является сбор и аккумуляция энергии. Перспективные технологии, такие как тонкопленочные твердотельные элементы питания и компоненты сбора энергии от вибрации, солнца, тепла и РЧ-волн, позволят создать приложения, не требующие батарей и какого-либо обслуживания в течение всего срока службы.

Важнейшим элементом эффективного приложения, работающего без батарей, является интеллектуальный маломощный МК. Такие системы должны иметь сложные схемы управления питанием для эффективной работы с элементами сбора энергии.

Интегральное решение позволяет включить такие элементы в сеть беспроводных датчиков, которая, например, осуществляет мониторинг состояния здания и его структурную целостность.

В конечном счете, рост степени интеграции микросхем определяется несколькими современными тенденциями.

Во-первых, центральный процессор и цифровые компоненты современных СнК занимают менее 15% площади кристалла. Большая часть кристалла используется встроенной памятью, и с внедрением новых технологий и уменьшением геометрических размеров памяти появляется дополнительное пространство для размещения других модулей на кристалле без увеличения общей площади СнК.

Во-вторых, заказчики требуют все более компактные и, в то же время, дешевые продукты. Это ставит разработчиков чипов перед задачей выбора между построением системы, состоящей из нескольких небольших кристаллов, и проектированием более сложной СнК, которая заменяет пять-шесть обычных чипов.

Наконец, полностью интегрированные решения обеспечивают большую надежность и долговечность, что особенно важно в таких областях как имплантируемые устройства, встроенные системы мониторинга состояния строительных конструкций и комплексные домашние сети.

Глубоко встраиваемые системы

В настоящее время встраиваемые решения встречаются повсюду: например, хорошо известны кредитные карты со встроенными чипами и автопокрышки, которые с помощью беспроводной связи передают информацию о состоянии дорожного покрытия, давлении в шинах и температуре.

Скоро электроника станет составной частью всех предметов, которых мы касаемся, включая ткани. Ярким примером этой тенденции служат гоночные машины «Формулы 1». Разработчики систем для этих автомобилей столкнулись с проблемой увеличения веса машин из-за необходимости размещения дополнительных электронных блоков для улучшения характеристик двигателей и других узлов.

Для снижения веса, габаритных размеров и коэффициента лобового сопротивления инженеры нашли способ встраивания части электронных узлов в раму автомобиля из легкого углеволокна.

По существу, имеются два типа глубоко встраиваемых решений, оба из которых не заметны, но имеют срок службы, измеряемый годами. Первый вид — это новые интеллектуальные функции, которые появляются в привычных устройствах, делая их более удобными и функциональными без каких-либо видимых внешних изменений. К таким усовершенствованиям относятся, например, беспроводное радио в сотовом телефоне, системы биометрической идентификации, медицинские пластыри с монитором показателей деятельности сердца и др.

Ко второму типу встраиваемых решений относятся приложения, разработанные на основе внедрения новых технологий. Эти приложения существенным образом улучшают нашу безопасность и предоставляют данные об окружающей среде. Например, системы на основе датчиков, встроенных в стены зданий и мостов для мониторинга состояния конструкций, не требующие замены батарей и обслуживания.

Успехи в создании глубоко встраиваемых приложений стали возможными также в связи с существенным уменьшением габаритов корпусов чипов по всем трем координатам, что позволило получить устройства, которые занимают площадь не более 0,1 мм2.

Наиболее яркими примерами развития интегрированных решений во встраиваемых системах служат медицинские приборы и автомобильная техника. Еще одной областью, которая претерпит революционные изменения в связи с внедрением глубоко встраиваемых решений, являются системы безопасности. Биометрические сканеры сделают ненужными замки, ключи и даже пароли.

Успехи в создании компактных кристаллов, новых видов корпусов, появление новых видов энергонезависимой памяти, снижение потребляемой мощности и интегрирование аналоговых блоков в СнК позволят проектировать весьма компактные, универсальные и надежные устройства, о которых еще несколько лет назад никто и не мечтал.

Литература

1. Jacob Borgeson. Embedded Processing Trends//www.embedded.com.

2. Krishnaswamy Ramkumar. Cypress SONOS Technology//www.cypress.com.

3. Shehzaad Kaka. Past, Present, and Future of MRAM//www.thic.org.

4. FRAM — New Generations of Non-Volatile Memory, Texas Instruments//focus.ti.com.