Figura 1: Diagrama de bloc d'un dispositiu d'estimulació mèdica mitjançant memòria externa per donar suport a la funcionalitat avançada
El primer repte per als arquitectes del sistema és identificar el sistema adequat al xip (SOC) o microcontrolador per servir de cor del sistema. Ha de ser capaç de proporcionar el rendiment desitjat mentre es redueix simultàniament el pressupost de l'energia del sistema global.
Els dispositius perifèrics, com ara memòries externes, sensors i interfícies de telemetria, han de ser comparables amb el rendiment del SOC / MICROCONTROLLER, alhora que donen suport a un factor de forma compacte i un consum eficient d'energia.
Opcions de memòria
El dispositiu escollit generalment integra dos tipus de records, Flash i SRAM.
Flash és una memòria relativament lenta, no volàtil que suporta un nombre limitat de cicles d'escriptura. S'utilitza per contenir dades fixes o que canvien de manera lenta, com ara el codi d'aplicació, la informació del sistema i / o els registres de dades de l'usuari de processament.
SRAM és una memòria volàtil d'accés ràpid que proporciona una resistència de cicle d'escriptura il·limitada. S'utilitza per emmagatzemar dades temporals de temps d'execució.
A mesura que augmenta la complexitat del sistema, també ho fa la complexitat de codi per a les múltiples funcions matemàtiques i algorismes. La capacitat de memòria interna de xip pot ser insuficient. Els sistemes mèdics portàtils sovint necessiten un emmagatzematge addicional, que requereix que els dissenyadors augmentin la memòria interna amb la memòria externa (figura 1).
Es pot utilitzar una memòria externa de baixa potència per a l'expansió RAM, normalment un SRAM amb un corrent extremadament baix actiu i en espera. Les opcions d'emmagatzematge no volàtil inclouen Flash, EEPROM, MRAM i F-RAM.
La memòria flash sèrie s'utilitza per a l'expansió de programes no volàtils i d'emmagatzematge de dades a causa del seu baix cost i la disponibilitat d'altes densitats. No obstant això, té un consum energètic relativament elevat, que redueix la vida útil dels dispositius basats en la bateria.
Algunes aplicacions substitueixen una part de la memòria amb un EEPROM, però això encara no és amigable amb les bateries, especialment quan les operacions impliquen escrits extensius a l'EEPROM. També complica el disseny del codi d'aplicació.
La memòria RAM Magneto-Resestive (MRAM) té una resistència d'escriptura il·limitada. El seu desavantatge, però, és que consumeix corrents actius i d'espera molt alt i és susceptible a camps magnètics que poden corrompre les dades emmagatzemades. Per tant, aquestes característiques fan que sigui inadequat en dispositius mèdics operats per bateria.
La memòria RAM ferroelèctrica (F-RAM), té diversos avantatges clau en dispositius mèdics portàtils i té una alta resistència al cicle d'escriptura.
Complicacions mèdiques
Figura 2: Consum energètic per 4 MB d'escriptura (μJ) per a tecnologies de memòria no volàtils
La resistència d'escriptura limitada d'EEPROM i FLASH crea possibles problemes per a dispositius mèdics que necessiten emmagatzemar registres de dades que s'actualitzen constantment. Flash ofereix resistència a l'ordre de 1E + 5 i EEPROM és 1E + 6. La resistència al cicle d'escriptura F-RAM és 1E + 14 (o 100 bilions de dòlars). Això permet que els dispositius siguin capaços de registrar més dades sense haver d'implementar algoritmes de desgast complexos i una capacitat addicional sobre subministrament (Figura 3).
Un segon avantatge és que l'arquitectura interna del F-RAM consumeix ordres de magnitud inferior a l'energia activa que els dispositius d'emmagatzematge Flash o EEPROM basats en càrrecs (figura 2).
Per exemple, Excelon F-RAMS des de l'espera de suport de xiprer, endarreriment profund i hibernar modes inactius. La implementació d'aquests en una aplicació poden reduir el consum d'energia per aproximadament dos ordres de magnitud en combinació amb la manera de potència activa inferior.
Figura 3: comparació cicle Endurance per a tecnologies de memòria no volàtils
EEPROM i FLASH requereixen temps addicionals de codi de pàgina / Pàgina d'escriptura, augmentant el sistema actiu del sistema per a operacions d'escriptura. La no volatilitat immediata de F-RAM permet que els sistemes operats per bateria s'apaguen completament la font d'alimentació o deixeu anar el sistema amb un mode inactiu de baixa potència per reduir el temps actiu i el corrent actiu.
Això també millora la fiabilitat en les aplicacions que tinguin requisits de temps precisos on les dades estiguin en risc durant una falla de potència. Les cèl·lules F-RAM també són molt tolerants per a diversos tipus de radiació, inclosos els raigs X i la radiació gamma i són immunes a camps magnètics, per protegir les dades gravades.
Alguns dispositius F-RAM, com EXCELON LP, proporcionen un codi de correcció d'errors d'un xip (ECC) que pot detectar i corregir errors de bits en cada paraula de dades de 64 bits, augmentar la fiabilitat dels registres de dades del sistema crític. F-RAM també suporta el corrent màxim controlat (és a dir, el control de corrent inrush inferior a 1,5 mA) per evitar la descàrrega excessiva de la bateria.
F-RAM es pot allotjar en envasos que és eficient. Per exemple, l'Excelon LP ofereix fins a 8 Mbit i està disponible a la indústria estàndard de vuit pins i paquets en miniatura de vuit pins de vuit pins amb un rendiment fins a 50MHz SPI I / O i 108MHz QSPI (Quad-SPI) I / O.
La resistència de F-RAM pràcticament infinita, la no volatilitat instantània i el baix consum permeten als dissenyadors del sistema combinar dades i funcions basades en RAM i ROM en una sola memòria.
Les tecnologies basades en ROM, incloent Mask-ROM, OTP-EPROM, i Nor-Flash, no són volàtils i estan orientades a aplicacions d'emmagatzematge de codi.
Nand-Flash i EEPROM també poden servir de memòria de dades no volàtils. Aquests requereixen algun compromís, ja que realitzen l'emmagatzematge de codi i de dades amb un rendiment de baix rendiment en comparació amb records alternatius.
Aquestes tecnologies se centren en un cost més baix, que requereix un compromís de facilitat d'ús i / o rendiment.
Les tecnologies basades en RAM serveixen com a memòria de dades i també com a espai de treball per a l'execució de codi quan l'execució de Flash resulta massa lenta. RAM proporciona una barreja de funcionalitat de codi i de dades, però la seva naturalesa volàtil limita el seu ús a l'emmagatzematge temporal.
Les aplicacions portàtils requereixen un rendiment optimitzat en tants components com sigui possible.
L'ús de múltiples tipus de memòria pot conduir a ineficiències, complica el disseny de codis i normalment consumeix més energia.
L'eficiència i la fiabilitat de F-RAM permeten que una sola tecnologia de memòria gestioni el codi i les dades.
Té la resistència per donar suport al registre de dades d'alta freqüència durant la reducció del cost del sistema, augmentar l'eficiència del sistema i la reducció de la complexitat del sistema.
