Utiliser une mémoire F-RAM pour concevoir des dispositifs alimentés par batterie à stockage à long terme ultrabasse consommation

Un stockage de données fiable à long terme est devenu une exigence de plus en plus vitale pour les dispositifs mobiles alimentés par batterie destinés au grand public, au secteur industriel et aux autres segments. Les technologies de mémoire non volatile (NVM) conventionnelles comme la mémoire Flash ou EEPROM (mémoire morte programmable et effaçable électriquement) ont permis de répondre à ce besoin dans les générations de produits précédentes.

Cependant, pour les produits mobiles avancés actuels, les attentes continues des utilisateurs en matière d'autonomie étendue des batteries ont considérablement limité les options pouvant fournir un stockage fiable sans compromettre les performances de conception ou les budgets énergétiques.

Cet article présente la gamme Excelon de mémoires vives ferroélectriques (F-RAM) de Cypress Semiconductor et explique comment l'utiliser pour répondre aux exigences de stockage fiable à long terme des dispositifs alimentés par batterie.

Défis de stockage dans les dispositifs portables

Dans les conceptions des dispositifs corporels, IoT et autres produits portables, la nécessité d'un stockage non volatil est directement liée aux capacités accrues de ces produits. Le besoin des utilisateurs en informations plus exhaustives a entraîné l'intégration de capteurs plus diversifiés fonctionnant à des résolutions supérieures et des fréquences de mise à jour accrues dans ces conceptions. En même temps, les utilisateurs s'attendent à ce que ces produits sophistiqués fournissent une vue étendue des données historiques et des tendances au lieu d'un simple aperçu des données de capteur de courant. En particulier, le dispositif doit pouvoir produire cette liste de données à la demande sans une connexion active au cloud, à un smartphone ou à un autre dispositif externe.

Les concepteurs cherchant à répondre à ces exigences de base à l'aide de technologies de mémoire non volatile conventionnelles rencontrent de nombreuses difficultés, en particulier pour les conceptions à puissance limitée. Les temps d'écriture de nombreuses technologies de mémoire non volatile sont intrinsèquement plus lents que la mémoire RAM comme les cycles étendus requis doivent effectuer le processus de programmation. Une mémoire EEPROM conventionnelle peut présenter des temps d'écriture de plusieurs millisecondes. Même dans une mémoire Flash avancée, les performances sont ralenties par le « temps d'immersion » supplémentaire requis durant les cycles d'écriture. Réciproquement, des cycles d'écriture étendus impliquent une consommation électrique globale accrue, ainsi qu'une fréquence de mise à jour de données limitée. Enfin, les dispositifs de mémoire non volatile conventionnels ont typiquement des spécifications d'endurance en écriture limitées. Combinés aux cycles d'écriture répétitifs requis pour un stockage de données de routine, les dispositifs peuvent s'user au cours du cycle de vie du produit.

Pour une gamme accrue de conceptions alimentées par batterie, les dispositifs de mémoire non volatile F-RAM fournissent une solution plus simple de stockage à long terme offrant la combinaison requise en termes de vitesse, d'endurance et de fonctionnement basse consommation. Les dispositifs F-RAM typiques incluent une endurance en écriture et des temps de cycle d'écriture considérablement plus élevés que dans les mémoires EEPROM ou Flash, et se rapprochent même de la vitesse d'une mémoire RAM statique (SRAM). En réalité, la mémoire F-RAM combine les avantages de performances d'une mémoire RAM conventionnelle et la capacité de stockage non volatil des autres technologies de mémoire non volatile. Parmi les solutions F-RAM, la série F-RAM Excelon LP (basse consommation) de Cypress Semiconductor va plus loin grâce à sa capacité de répondre à l'exigence fondamentale d'une ultrabasse consommation pour les dispositifs corporels alimentés par batterie et les autres produits mobiles.

Mémoire F-RAM ultrabasse consommation

Les dispositifs F-RAM Excelon LP de Cypress sont des sous-systèmes de mémoire non volatile intégrés combinant une matrice F-RAM, des registres, une logique de commande et d'interface et un secteur spécial conçu pour préserver des contenus jusqu'à trois cycles de soudage par refusion standard (Figure 1).

Figure 1 : Les dispositifs F-RAM Excelon LP de Cypress Semiconductor incluent une matrice F-RAM et un circuit de support pour fournir un sous-système de mémoire complet accessible via des ports SPI standard. (Source de l'image : Cypress Semiconductor)

Les dispositifs F-RAM Excelon LP fournissent un niveau de fiabilité à long terme dépassant largement une mémoire EEPROM ou Flash typique. Ces dispositifs démontrent une endurance de 10¹⁵ cycles de lecture/écriture et une rétention de données de 151 ans, ce qui dépasse le cycle de vie réel des dispositifs IoT ou corporels pratiques.

Leurs performances d'écriture améliorent également la fiabilité globale des applications. Puisque ces dispositifs écrivent les données sur la matrice F-RAM non volatile à la vitesse de bus, ils réduisent considérablement le risque de perte de données par rapport à d'autres types de dispositifs de mémoire non volatile. Les temps d'écriture considérablement plus longs de ces dispositifs et la nécessité d'une mise en mémoire tampon des données en interne qui en découle génèrent une vaste période de vulnérabilité dans laquelle des données peuvent être perdues en cas de panne d'alimentation avant la fin de la séquence d'écriture.

Contrairement aux autres technologies de mémoire non volatile, les dispositifs F-RAM Excelon LP fonctionnent aux niveaux de courant minimums requis pour étendre l'autonomie des produits portables. Fonctionnant à 20 MHz, la série F-RAM LP CY15x108QI de 8 Mb de Cypress consomme uniquement 1,3 mA, tandis que la série F-RAM LP CY15x104QI de 4 Mb de Cypress consomme seulement 1,2 mA. Comme détaillé ci-dessous, les dispositifs offrent également aux développeurs plusieurs options permettant de réduire davantage la consommation électrique.

Conçus pour prendre en charge des exigences système variées, les produits de la gamme Excelon LP sont disponibles dans les plages de températures commerciales et industrielles ainsi qu'avec différentes tensions d'alimentation. Par exemple, le CY15V104QI de 4 Mb et le CY15V108QI de 8 Mb fonctionnent à une tension d'alimentation de 1,71 V à 1,89 V, tandis que le CY15B104QI de 4 Mb et le CY15B108QI de 8 Mb sont conçus pour fonctionner avec une alimentation de 1,8 V à 3,6 V.

Conception simple des systèmes

Outre la garantie de la conformité aux exigences opérationnelles des différentes applications, les dispositifs simplifient la conception des systèmes. Pour une conception typique, les développeurs doivent utiliser un bus SPI (interface périphérique série) pour connecter un ou plusieurs dispositifs F-RAM Excelon LP en tant que SPI esclaves à une interface SPI maître, comme un microcontrôleur (Figure 2).

Figure 2 : Les développeurs peuvent ajouter un stockage à long terme à leurs conceptions en connectant simplement un ou plusieurs dispositifs F-RAM Excelon LP de Cypress Semiconductor au bus SPI contrôlé par une interface SPI maître, comme un microcontrôleur. (Source de l'image : Cypress Semiconductor)

Les transactions sur le bus SPI d'interconnexion sont simples et rapides. Pendant l'écriture en mémoire, les dispositifs F-RAM Excelon LP fonctionnent sans les temps d'écriture supplémentaires indiqués précédemment pour les technologies de mémoire Flash ou EEPROM. Chaque octet est directement écrit sur la matrice F-RAM lorsqu'il atteint le dispositif via le bus SPI, ce qui réduit considérablement le risque de perte de données en raison d'une panne d'alimentation subite.

Pour le développeur système, le processus d'écriture suit un protocole SPI simple impliquant des codes d'opération (opcodes) SPI standard. Le processeur hôte commence chaque séquence d'écriture par la transmission d'un code d'opération WREN (write enable) (06h) tout en augmentant, puis en abaissant la ligne de sélection de circuit (ØCS). Après cette courte phase d'initialisation, le processeur hôte commence le processus d'écriture par la transmission d'un code d'opération d'écriture (02h) suivie d'une adresse de 24 bits. (Les quatre bits les plus significatifs de l'adresse sont ignorés pour ces dispositifs, mais assurent la compatibilité avec des dispositifs F-RAM de densité supérieure.) Juste après l'envoi de l'adresse, le processeur hôte peut commencer à transférer les octets de données (Figure 3).

Figure 3 : Pendant une séquence d'écriture SPI standard, les dispositifs F-RAM Excelon LP de Cypress Semiconductor écrivent directement les données sur la matrice F-RAM sans la mise en mémoire tampon ou les temps d'immersion associés aux précédentes technologies de mémoire non volatile. (Source de l'image : Cypress Semiconductor)

Lorsque le processeur hôte envoie un octet de données, le dispositif F-RAM incrémente automatiquement l'adresse en interne tant que le processeur hôte conserve une ligne ØCS basse et continue de transmettre les signaux d'horloge. Par conséquent, les concepteurs peuvent utiliser les dispositifs F-RAM Excelon LP dans les conceptions nécessitant une combinaison d'écritures à un octet et d'écritures de blocs.

Les opérations de lecture suivent un protocole SPI similaire. Après avoir abaissé la ligne ØCS, le processeur hôte transmet un code d'opération de lecture (03h) et l'adresse de 24 bits. Le dispositif F-RAM Excelon LP répond directement en transmettant les octets de données sur la ligne SO à chaque cycle d'horloge SCK. À l'instar des opérations d'écriture, les opérations de lecture continuent tant que le processeur hôte conserve une ligne ØCS basse et continue à transmettre les horloges SCK.

Extension de l'autonomie des batteries

Outre leurs simples exigences de conception système, ces F-RAM basse consommation fournissent aux développeurs des options permettant de réduire la consommation électrique et d'étendre l'autonomie des batteries. Spécialement conçus pour les applications alimentées par batterie, les dispositifs CY15x10xQI de Cypress incluent des circuits de contrôle de courant d'appel intégrés qui permettent de réduire les courants relativement élevés générés typiquement lors de l'activation des dispositifs de mémoire non volatile.

Les dispositifs F-RAM Excelon LP de Cypress permettent également aux développeurs d'utiliser différentes stratégies d'extension de l'autonomie des batteries dans les conceptions de dispositifs corporels et IoT qui utilisent des capteurs pour suivre la progression relativement lente des événements réels. Dans ces conceptions, les dispositifs F-RAM Excelon LP de Cypress peuvent typiquement fonctionner à basse fréquence d'horloge pour réduire la consommation électrique. Par exemple, pour un fonctionnement avec une horloge de 1 MHz, la consommation électrique d'un CY15V108QI de 8 Mb tombe à 300 µA alors qu'elle était de 1,3 mA à 20 MHz. De même, le CY15V104QI de 4 Mb ne nécessite que 200 µA à 1 MHz par rapport à 1,2 mA à 20 MHz.

À l'aide des modes basse consommation spéciaux disponibles sur les dispositifs F-RAM Excelon LP, les développeurs peuvent davantage réduire la consommation énergétique du système pendant les différentes périodes de repos qui se produisent systématiquement dans les applications IoT et corporelles. Ces dispositifs F-RAM prennent en charge trois modes à alimentation réduite qui permettent aux développeurs de remplacer le temps de réponse par une consommation électrique réduite.

Les dispositifs passent automatiquement au premier mode basse consommation, le mode veille, dès l'augmentation de la ligne ØCS pour terminer la séquence SPI. Inversement, les dispositifs quittent automatiquement le mode veille dès la diminution de la ligne ØCS pour commencer une nouvelle séquence SPI. En mode veille, la mémoire F-RAM Excelon LP CY15V108QI de 8 Mb ne consomme que 3,5 µA et le CY15V104QI de 4 Mb ne nécessite que 2,3 µA.

Le mode veille fournit une réduction de courant automatique, immédiate, sans imposer de délais supplémentaires pour retourner au mode actif normal. Pour les applications avec des périodes de repos étendues, cependant, même cette consommation électrique réduit inutilement l'autonomie de la batterie avec le temps. Dans ces cas-là, les dispositifs F-RAM Excelon LP fournissent deux modes basse consommation supplémentaires : le mode d'arrêt profond et le mode d'hibernation.

Contrairement au mode veille par défaut, les modes d'arrêt profond et d'hibernation s'activent explicitement via des codes d'opération SPI spéciaux. Tout comme pour les opérations SPI de lecture et d'écriture, l'interface SPI maître envoie un code d'opération d'arrêt profond (DPD) (BAh) ou d'hibernation (HBN) (B9h) pour commander le dispositif F-RAM à passer au mode basse consommation correspondant (Figure 4).

Figure 4 : Les développeurs peuvent utiliser des protocoles SPI standard pour activer les modes d'arrêt profond (DPD) ou d'hibernation (HIB) des dispositifs F-RAM Excelon LP qui permettent de considérablement réduire la consommation électrique, mais engendrent des délais différents pour entrer (t_ENTxxx) dans le mode basse consommation correspondant et en sortir (t_EXTxxx). (Source de l'image : Cypress Semiconductor)

L'effet de ces modes basse consommation est considérable avec une consommation électrique inférieure à 1 µA (Tableau 1). Même s'ils réduisent considérablement le courant des dispositifs, ces modes présentent un compromis pouvant affecter les opérations de données sensibles au temps. Les modes basse consommation DPD et HIB basés sur des codes d'opération imposent des délais supplémentaires au temps requis pour entrer dans le mode (t_ENTDPD ou t_ENTHIB), ainsi que pour en sortir (t_EXTDPD ou t_EXTHIB) (Tableau 1 et Figure 4).

Tableau 1 : Consommation électrique des modes d'alimentation du dispositif F-RAM Excelon LP ainsi que les délais correspondants pour entrer (t_ENTDPD ou t_ENTHIB) ou sortir (t_EXTDPD ou t_EXTHIB) des modes d'arrêt profond et d'hibernation basés sur des codes d'opération. Ces chiffres concernent les versions commerciales basse tension dotées d'une plage d'alimentation de 1,71 V à 1,89 V et d'une plage de températures de fonctionnement de 0°C à +70°C. (Source des données : Fiches techniques F-RAM Excelon LP de Cypress)

En utilisant les modes basse consommation basés sur des codes d'opération, les développeurs doivent équilibrer les avantages de la consommation électrique réduite de ces modes par rapport à la consommation réelle et le temps requis pour y entrer et en sortir. Un système avec des périodes de repos étendues est susceptible d'entrer dans l'un des deux modes, mais le choix du mode donné dépend essentiellement du rapport cyclique prévu pour les opérations du dispositif F-RAM pendant les périodes actives. Pour les dispositifs F-RAM devant fonctionner avec un rapport cyclique élevé, les coûts des entrées et sorties répétitives en mode basse consommation peuvent être contreproductifs. Par exemple, selon Cypress, les applications avec une période de repos de 10 secondes ou plus sont idéales pour le mode d'hibernation.

Conclusion

Le besoin émergent en stockage de données à long terme pour les dispositifs IoT et corporels alimentés par batterie contraint les développeurs à rechercher des dispositifs de mémoire non volatile pouvant offrir une basse consommation sans les limites de performances associées aux technologies de mémoire non volatile conventionnelles, telles que la mémoire Flash ou EEPROM. En se basant sur la vitesse et la fiabilité inhérentes à la technologie F-RAM, les dispositifs F-RAM Excelon LP de Cypress Semiconductor combinent leurs exigences intrinsèques en matière de réduction du courant avec des modes basse consommation programmables pouvant réduire la consommation électrique à moins d'un microampère. À l'aide des dispositifs F-RAM Excelon LP de Cypress, les développeurs peuvent rapidement ajouter un stockage de données à long terme offrant la rapidité d'une mémoire vive conventionnelle et une capacité de rétention de données fiable de plus de 150 ans dans les conceptions alimentées par batterie.