Tecnologie di memoria per l’Internet delle cose

di Chen Grace Wang, Responsabile di Prodotto presso Rutronik e Wesley Kwong, Responsabile Sviluppo Attività presso AP Memory

I riscontri sulle esperienze utente legate alle applicazioni IoT ed embedded sono in aumento. A questo scopo, tali applicazioni richiedono più risorse di storage con più banda, un fattore di forma ridotto, un basso consumo energetico e quindi una minore generazione di calore a parità di costo dei componenti o a un costo addirittura inferiore. Ciò è tanto più vero quando si aggiunge l’intelligenza artificiale (Artificial Intelligence – AI) e/o l’apprendimento automatico (Machine Learning – ML). Per molti sviluppatori sorge la domanda su quale potrebbe essere una soluzione di archiviazione ideale per le applicazioni IoT ed embedded.

Immagine 1: Applicazioni IoT ed embedded con requisiti di memoria crescenti (fonte dell’immagine: AP Memory)

La RAM statica (SRAM) è ancora la memoria che offre la massima velocità, la latenza più bassa ed è ancora quella posizionata più vicina al processore. Tuttavia presenta alcuni svantaggi: la topologia ordinaria di layout 6T-SRAM non si riduce di pari passo con la miniaturizzazione dei nodi di processo. Inoltre, la dissipazione di potenza della SRAM embedded aumenta man mano che il consumo energetico della CPU aumenta. Questo rende sempre più difficile soddisfare i vincoli di alimentazione e i requisiti di storage in aumento delle più recenti applicazioni IoT con SRAM incorporata.

Per le SRAM esterne, l’alto numero di transistor aumenta i costi di storage. Ciò significa che è difficile rispettare anche i fattori di forma più ridotti.

Le DRAM esterne (RAM dinamiche) offrono ancora notevoli vantaggi in termini di costi rispetto alle SRAM. Offrendo prestazioni paragonabili a quelle di un singolo transistor con un condensatore, consentono di ottenere una densità di array molto più elevata. Per le applicazioni che sono sempre o per lo più collegate a un alimentatore le DRAM esterne possono essere una soluzione accettabile. Tuttavia, esse presentano un alto numero di pin e sono complesse da integrare per via dei loro requisiti di refresh e al routing sempre più complesso.

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Le SDRAM (DRAM sincrone) più datate e a bassa densità sono progettate per i nodi di processo più vecchi e non sono adatte per sistemi compatti ed energeticamente efficienti per via delle loro dimensioni.

Si rende quindi necessaria una soluzione di storage alternativa in grado di offrire un alto livello di prestazioni a costi inferiori e con un consumo di potenza ridotto, in grado di soddisfare al contempo le esigenze crescenti legate ad un’esperienza utente IoT completa.

L’IoT-RAM combina i vantaggi delle DRAM e delle SRAM

L’IoT-RAM è basata sulla tecnologia RAM pseudostatica (PSRAM). Quest’ultima combina i vantaggi della DRAM (area ridotta, costi di produzione fino a un decimo rispetto a quelli delle SRAM e densità fino a 10 volte superiore di quelle delle SRAM) — con l’alta velocità, la latenza ridotta e la semplicità di controllo tipica delle SRAM. La PSRAM funziona internamente con celle DRAM, che consistono in appena un transistor e un condensatore, ma si comporta come una normale SRAM e con le classiche interfacce SRAM relativamente semplici.

L’IoT-RAM fornisce inoltre interfacce SPI Flash con un numero di pin ridotto, utilizzate da molte MCU e FPGA. Le soluzioni IoT-RAM di AP Memory sono compatibili con le interfacce SPI della maggior parte dei dispositivi MCU, SoC e FPGA, incluse le interfacce Quad-SPI (QSPI) e Octal-SPI (OSPI).

Le varianti System-in-Package (SiP) dell’IoT-RAM sono adatte nei casi in cui i SoC (Sytem On a Chip) richiedono più memoria rispetto alla SRAM interna. Le opzioni SiP, in particolare con KGD (Known Good Die), qualificate come prive di errori, offrono più memoria a livello di sistema e tutti i vantaggi sopra menzionati – e quindi «al di là della Legge di Moore».

La bassa latenza dell’IoT-RAM consente di ritornare rapidamente dalla modalità a bassissimo consumo, con riattivazione istantanea dalla modalità di standby e tempi di accensione rapidi. Di conseguenza l’IoT-RAM offre un consumo di potenza estremamente contenuto, tipicamente da 0,15 fino a 0,5 μA/Mb, in base alla densità di memoria.

Immagine 2: L’IoT-RAM soddisfa le esigenze delle applicazioni IoT/embedded con maggiori risorse di storage, requisiti di potenza ridotti e costi contenuti. (fonte dell’immagine: AP Memory)

 

Refresh interni

Osservando lo schema di esempio di una MCU (Figura 3), è necessario espandere sempre più le risorse di memoria di lavoro e di memoria statica. Quando si utilizza la DRAM il consumo di potenza del sistema aumenta ed è necessaria l’integrazione di un controllore di refresh.

Immagine 3: Un tipico sistema basato su MCU con risorse di memoria convenzionali (fonte dell’immagine: AP Memory)

 

Con l’IoT-RAM non è necessario alcun controllore perché tutta la logica di refresh per le celle DRAM viene eseguita internamente, in modo trasparente rispetto all’utente. Ciò riduce la complessità delle interfacce e i costi di validazione associati. I sistemi basati su MCU più datati, che utilizzano ancora le SDRAM, traggono vantaggio dall’IoT-RAM grazie al suo consumo di potenza ridotto e alle interfacce più semplici (Tabella 1).

	64Mb SDRAM	64Mb ADMUX PSRAM	64Mb OPI IoT RAM
IDD attiva – @200MB/s 100MHz	60mA	35mA	15mA
Corrente max di standby @25C	5000μA	200μA	30μA
Numero di pin di segnale	38	35	11

Tabella 1: L’IoT-RAM si distingue dalle SDRAM e dalle PSRAM per un consumo di potenza più ridotto e un numero di pin inferiore (fonte: AP Memory)

 

Riproduzione fluida di video a bordo rete

Se si considera un caso d’uso di una funzione di frame buffering, è chiaro come una RAM esterna consenta una migliore esperienza utente: il sistema ha meno probabilità di dover ricorrere a una memoria non volatile più lenta per attività di lettura e scrittura, il che migliora le prestazioni complessive del sistema. Questo può essere verificato anche attraverso la Testsuite di Coremark. Gli utenti beneficiano di una latenza inferiore, di una riproduzione più fluida e di una registrazione più affidabile.

Le soluzioni di memoria IoT-RAM di AP Memory funzionano perfettamente con molti dispositivi MCU, SoC e FPGA esistenti negli apparecchi IoT ed embedded che richiedono prestazioni elevate, bassi costi e tempi di risposta rapidi. A tale scopo, AP Memory collabora strettamente con un numero crescente di fornitori di MCU, SoC e FPGA. Le soluzioni IoT-RAM offrono protocolli semplificati di trasmissione dei segnali (QSPI, OPI, ADMUX) e opzioni di package (KGD, WLCSP, SOP, USON, BGA) per le memorie volatili presenti nei prodotti IoT e di edge-computing. Rutronik offre una gamma completa di soluzioni IoT-RAM e PSRAM di AP Memory con diversi tagli di memoria per soddisfare diversi requisiti di prestazioni e di banda.

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