Figura 1: Diagrama de bloques de un dispositivo de estimulación médica que usa la memoria externa para admitir la funcionalidad avanzada
El primer desafío para los arquitectos del sistema es identificar el sistema correcto en el chip (SOC) o el microcontrolador para servir como el corazón del sistema. Debe ser capaz de proporcionar el rendimiento deseado mientras se reduce simultáneamente el presupuesto de energía del sistema general.
Los dispositivos periféricos, como las memorias externas, los sensores y las interfaces de telemetría deben ser comparables con el rendimiento de SOC / Microcontroller, al tiempo que respaldan un factor de forma compacto y un consumo de energía eficiente.
Opciones de memoria
El dispositivo elegido generalmente integra dos tipos de memorias, flash y SRAM.
Flash es una memoria no volátil relativamente lenta y de escritura que admite un número limitado de ciclos de escritura. Se utiliza para mantener los datos fijos o de cambio lento, como el código de aplicación, la información del sistema y / o los registros de datos de usuario post-procesados.
SRAM es una memoria volátil de acceso rápido que proporciona una resistencia ilimitada del ciclo de escritura. Se utiliza para almacenar datos temporales del sistema de tiempo de ejecución.
A medida que aumenta la complejidad del sistema, también lo hace la complejidad del código para las múltiples funciones matemáticas y algoritmos. La capacidad interna de la memoria en el chip puede ser insuficiente. Los sistemas médicos portátiles a menudo necesitan almacenamiento adicional, que requieren diseñadores para aumentar la memoria interna con memoria externa (Figura 1).
Se puede usar una memoria externa de baja potencia para la expansión de la RAM, típicamente un SRAM con una corriente activa y en espera extremadamente baja. Las opciones para el almacenamiento no volátil incluyen Flash, EEPROM, MRAM y F-RAM.
La memoria flash serial se utiliza para el programa no volátil y la expansión de almacenamiento de datos debido a su bajo costo y la disponibilidad de altas densidades. Sin embargo, tiene un consumo de energía relativamente alto, que reduce la vida útil de los dispositivos a base de batería.
Algunas aplicaciones reemplazan una parte de la memoria con una EEPROM, pero esto todavía no es amigable con la batería, especialmente cuando las operaciones involucran escrituras extensas a la EEPROM. También complica el diseño del código de aplicación.
RAM Magneto-resistiva (MRAM) tiene una resistencia de escritura ilimitada. Sin embargo, su desventaja es que consume corrientes muy altas y de reserva y es susceptible a los campos magnéticos que pueden corromper los datos almacenados. Por lo tanto, estas características lo hacen inadecuado en dispositivos médicos operados por baterías.
RAM FERROELECTRIC (F-RAM), tiene varias ventajas clave en dispositivos médicos portátiles y tiene una alta resistencia al ciclo de escritura.
Complicaciones médicas
Figura 2: Consumo de energía por 4 MB de escritura (μj) para tecnologías de memoria no volátiles
La reducción de escritura limitada de EEPROM y FLASH crea problemas potenciales para dispositivos médicos que necesitan almacenar registros de datos que se actualizan constantemente. Flash ofrece resistencia en el orden de 1E + 5 y EEPROM es 1E + 6. La resistencia al ciclo de escritura F-RAM es 1e + 14 (o 100 billones). Esto permite que los dispositivos puedan registrar más datos sin tener que implementar algoritmos complejos de nivelación de desgaste y capacidad adicional de provisión (Figura 3).
Una segunda ventaja es que la arquitectura interna de F-RAM consume órdenes de magnitud inferior a la energía activa que los dispositivos de almacenamiento de flash o EEPROM basados en carga (Figura 2).
Por ejemplo, Excelon F-RAMS de Cypress Support Standby, profundamente apagado y hibernación de modos inactivos. La implementación de estos en una aplicación puede reducir el consumo de energía en aproximadamente dos órdenes de magnitud en combinación con el menor modo de potencia activa.
Figura 3: Comparación del ciclo de resistencia para las tecnologías de memoria no volátiles
EEPROM y FLASH requieren tiempos de ciclo adicionales de Page-Program / Page-Write, lo que aumenta el tiempo activo del sistema para las operaciones de escritura. La no volatilidad inmediata de F-RAM permite que los sistemas operados por batería apaguen completamente la fuente de alimentación o eliminen rápidamente el sistema en un modo de inactividad de baja potencia para reducir tanto el tiempo activo como la corriente activa.
Esto también mejora la confiabilidad en las aplicaciones que tienen requisitos de sincronización precisos donde los datos están en riesgo durante una falla de poder. Las células F-RAM también son altamente tolerantes a varios tipos de radiación, incluidas las radiografías y la radiación gamma y son inmunes a los campos magnéticos, para proteger los datos registrados.
Algunos dispositivos F-RAM, como Excelon LP, proporcionan código de corrección de errores en el chip (ECC) que pueden detectar y corregir errores de un solo bit en cada palabra de datos de 64 bits, al aumentar la confiabilidad de almacenamiento de los registros de datos del sistema crítico. F-RAM también admite la corriente máxima controlada (es decir, el control de corriente de inrusos menos de 1,5 mA) para evitar la descarga excesiva de la batería.
F-RAM se puede alojar en el embalaje que es eficiente en el espacio. Por ejemplo, el LP de Excelon ofrece hasta 8Mbit y está disponible en los paquetes de GQFN de ocho pines estándar de la industria de ocho pines con un rendimiento de hasta 50 MHz SPI I / O y 108MHz QSPI (quad-spi) E / S.
La resistencia virtualmente infinita de F-RAM, la no volatilidad instantánea y el bajo consumo de energía, permiten a los diseñadores de sistemas combinar datos y funciones basadas en RAM y ROM dentro de una sola memoria.
Las tecnologías basadas en ROM, que incluyen máscaras, OTP-EPROM, y Nor-Flash, no son volátiles y están orientadas hacia aplicaciones de almacenamiento de código.
NAND-FLASH y EEPROM también pueden servir como memoria de datos no volátiles. Todos estos requieren un poco de compromiso, ya que realizan el almacenamiento de código y datos con bajo rendimiento en comparación con las memorias alternativas.
Estas tecnologías se centran en un menor costo, lo que requiere una compensación de facilidad de uso y / o rendimiento.
Las tecnologías basadas en RAM sirven como memoria de datos y también como un espacio de trabajo para la ejecución de código cuando se ejecuta desde Flash demuestra demasiado lento. RAM proporciona una mezcla de código y funcionalidad de datos, pero su naturaleza volátil limita su uso en el almacenamiento temporal.
Las aplicaciones portátiles requieren un rendimiento optimizado en la mayor cantidad posible de componentes.
El uso de múltiples tipos de memoria puede provocar ineficiencias, complica el diseño de código y típicamente consume más energía.
La eficiencia y la confiabilidad de F-RAM hacen posible que una única tecnología de memoria maneje tanto el código como los datos.
Tiene la resistencia para apoyar el registro de datos de alta frecuencia al tiempo que reduce el costo del sistema, aumentando la eficiencia del sistema y la reducción de la complejidad del sistema.
