Bei der genaueren Betrachtung und Analyse verschiedener Speichertechnologien, hat sich eine Eigenschaft als besonders kritisch herausgestellt – der Stromverbrauch. Bei SoCs (System-on-a-Chip, Einchipsysteme) und ASICs (Application Specific Integrated Circuit, anwendungsspezifische, integrierte Schaltung) spielen NVMs (Non-Volatile Memory, nichtflüchtiger Speicher) eine sehr wichtige Rolle und damit auch ihr Energieverbrauch. Viele dieser Speicherchips werden in kleinen, batteriebetriebenen Geräten, auch im IoT, eingesetzt und müssen dabei den Beweis antreten, dass deren Energiebedarf besonders gering ausfällt.
Programmbefehle direkt aus dem Flash lesen
Embedded NOR-Flash ist die derzeit vorherrschende Technologie für diese Batteriegeräte. Im Gegensatz zu NAND-Flash (USB-Speicherstick und SSD) wird NOR-Flash typischerweise für die Speicherung von Code und kleineren Datenmengen verwendet. Dessen Lese-Interface eignet sich für «execute-in-place»-Funktionen, wo ein Prozessor seine Programmbefehle direkt aus dem Flash liest, ohne sie zuerst im lokalen SRAM zwischenzuspeichern.
MRAM ist «Lowest Power»
Als sehr interessanter NVM-Konkurrent für diese Applikationen hat sich der MRAM-Speicher herausgestellt, der eine hervorragende Skalierbarkeit zu den aktuellsten Siliziumnodes verspricht, während Flash fertigungstechnisch Mühe hat, den 40-nm-Node zu überwinden. Hinzu kommt, dass MRAMs ein einfaches Lese/Schreib-Interface mit Byte-Adressierbarkeit aufweisen. Dadurch entfällt der bisher notwendig hohe Flashaufwand an «Overhead» und Komplexität.
Laut einem sehr interessanten Whitepaper von Spin Transfer Technologies zeigt deren MRAM-Technologie ihren grössten Vorteil beim Stromverbrauch, und zwar bei der notwendigen Energie für das Einschreiben der Daten in den Speicher. Der Grund hierfür sind in erster Linie die langen Schreib- und Löschzeiten eines Flashspeichers. Die im Bericht erläuterte Analyse zeigt, dass der MRAM-Speicher gegenüber dem Flashspeicher die notwendige Schreibenergie um drei bis vier Grössenordnungen senken kann. Die Flashtechnologie basiert auf der Floating-Gate-Technik, um einen Zustand zu speichern. Beim Dateneinschreiben wird eine Ladung über eine dielektrische Barriere in das Gate bewegt, beim Löschen wird sie wieder entfernt.
MRAMs mit WiP
Wenn man bei SRAMs oder DRAMs eine Variable speichert, bestimmt man einen Speicherplatz. Neue Werte werden dann durch Überschreiben des alten Wertes gespeichert – das ist bei Flash nicht möglich! Beim Flashspeicher kann man neue Daten nur in frisch gelöschte Zellen einschreiben. Und Flash kann nur in Sektoren gelöscht werden. Das erfordert einen hohen Managementaufwand.
Im Gegensatz dazu basiert das MRAM-Bauelement für die Datenspeicherung auf einem magnetischen Element. Wie bei einem SRAM erlaubt der MRAM das WiP (Write in Place); er lässt sich für das Schreiben und Lesen von Daten byteweise adressieren. Vorhandene Zellen lassen sich ohne vorhergehendes Löschen für neue Daten überschreiben.
Kurze Programmierzeiten – interessante Auswirkungen
Hinzu kommt, dass die notwendige Programmierzeit von einer MRAM-Zelle wesentlich kürzer als beim Flash ist. Es sind weniger als 100 ns. Ein typischer Flashspeicher bringt es auf eine Schreibzeit von 40 µs und eine Löschzeit von 50 ms. Um die praktischen Auswirkungen dieser Unterschiede darzustellen, wählte man im Rahmen des erwähnten Whitepapers drei aktuelle Applikationen aus, die ausführlich erläutert werden:
- Code-Updates: Wie viel Energie wird dafür benötigt?
- variable Speicherung: Wie viel Energie ist pro Tag für die Handhabung der Variablen notwendig?
- Array-Speicherung: Wie viel Energie ist hierfür pro Tag erforderlich?
Ein weiterer Gesichtspunkt ist neben dem gesamten Energieverbrauch der Spitzenenergieverbrauch, ein kritischer Aspekt von Embedded-Flashspeichern. Der erforderliche Löschstrom kann Spitzenwerte erreichen, die den Ausgang der Stromversorgung überfordern. Das kann Schäden verursachen oder aber die Stromversorgung sogar abschalten. Auch in diesem Fall zeigt das MRAM-Bauelement Vorteile. Neben der geringen Schreib-energie zeigt ein MRAM im Vergleich zu Flashspeichern diese Vorteile:
- niedrige Schreiblatenzzeit
- theoretisch keine Limitierungen bei der Skalierung
- sehr gute Kompatibilität mit CMOS – geringere Kosten
- keine Ladepumpe und kein Flash-Overhead
- geringere Spitzenströme durch «staggered Write»
Der Bericht konzentriert sich speziell auf den gesamten Energiebedarf und die Vorteile, die die MRAM-Technologie bietet.
Whitepaper: 11_17.01.pdf
Infoservice
Spin Transfer Technologies
45500 Northport Loop West, Fremont, California 94538, USA
Tel. 001 510 933 82 00, Fax 001 510 933 82 01
