Figure 1: Schéma de principe d'un dispositif de stimulation médicale à l'aide de la mémoire externe pour prendre en charge les fonctionnalités avancées
Le premier défi pour les architectes du système est d'identifier le bon système sur puce (SOC) ou microcontrôleur pour servir de cœur du système. Il doit être capable de fournir les performances souhaitées tout en réduisant simultanément le budget d'alimentation du système global.
Des dispositifs périphériques, tels que des mémoires externes, des capteurs et des interfaces de télémétrie doivent être comparables à la performance SOC / Microcontroller, tout en soutenant également un facteur de forme compact et une consommation d'énergie efficace.
Choix de mémoire
Le dispositif choisi intègre généralement deux types de mémoires, Flash et SRAM.
Le flash est une mémoire relativement lente et non volatile qui prend en charge un nombre limité de cycles d'écriture. Il est utilisé pour contenir des données modifiées fixes ou lentes telles que le code d'application, les informations système et / ou les journaux de données d'utilisateur post-transformés.
SRAM est une mémoire volatile à accès rapide, qui offre une endurance de cycle d'écriture illimitée. Il est utilisé pour stocker des données temporaires du système d'exécution.
À mesure que la complexité du système augmente, la complexité du code pour les multiples fonctions mathématiques et les algorithmes. La capacité de mémoire interne sur puce peut être insuffisante. Les systèmes médicaux portables ont souvent besoin de stockage supplémentaire, obligeant des concepteurs à augmenter la mémoire interne avec une mémoire externe (Figure 1).
Une mémoire externe à faible puissance peut être utilisée pour l'expansion de la RAM, typiquement une SRAM avec un courant actif et de veille extrêmement faible. Les options pour le stockage non volatile comprennent Flash, EEPROM, MRAM et F-RAM.
La mémoire flash série est utilisée pour une expansion du programme non volatile et du stockage des données en raison de son faible coût et de la disponibilité de densités élevées. Cependant, il a une consommation d'énergie relativement élevée, ce qui réduit la durée de vie de la durée de vie des appareils à base de piles.
Certaines applications remplacent une partie de la mémoire avec une EEPROM, mais cela n'est toujours pas respectueux de la batterie, en particulier lorsque des opérations impliquent des écrites étendues à l'EEPROM. Il complique également la conception du code d'application.
Le RAM magnéto-résistif (MRAM) a une endurance écrite illimitée. Son inconvénient, cependant, est qu'il consomme des courants actifs et de veille très élevés et est sensible aux champs magnétiques pouvant corrompre des données stockées. Ces caractéristiques le rendent donc inappropriés dans des dispositifs médicaux à piles.
La RAM ferroélectrique (F-RAM) présente plusieurs avantages clés dans les dispositifs médicaux portables et il a une endurance à taux écriture élevée.
Complications médicales
Figure 2: Consommation d'énergie par écrit 4MB (μJ) pour les technologies de mémoire non volatile
L'endurance écriture limitée de EEPROM et Flash crée des problèmes potentiels pour des dispositifs médicaux qui doivent stocker des journaux de données constamment mis à jour. Flash offre l'endurance sur l'ordre de 1E + 5 et EEPROM est 1E + 6. L'endurance du cycle d'écriture F-RAM est 1e + 14 (ou 100 billions de billion). Cela permet à des périphériques de pouvoir enregistrer davantage de données sans avoir à mettre en œuvre des algorithmes complexes à usage d'usure et une capacité supplémentaire sur la surpensation (Figure 3).
Un deuxième avantage est que l'architecture interne de F-RAM consomme des ordres de grandeur une énergie active plus faible que les périphériques de stockage flash ou EEPROM à base de charge (Figure 2).
Par exemple, Excelon F-béliers de la suppression de cyprès en veille, la puissance profonde et les modes de veille hibernée. La mise en œuvre dans une application peut réduire la consommation d'énergie d'environ deux ordres de grandeur en combinaison avec le mode puissance actif inférieur.
Figure 3: Comparaison du cycle d'endurance pour les technologies de mémoire non volatile
EEPROM et Flash nécessitent des heures supplémentaires de cycle de programme / d'écriture de page, augmentant ainsi le temps actif du système pour les opérations d'écriture. La non-volatilité immédiate de F-RAM permet aux systèmes à piles d'éteindre complètement l'alimentation électrique ou de déposer plus rapidement le système dans un mode d'inactivité de puissance faible pour réduire à la fois le temps actif et le courant actif.
Cela améliore également la fiabilité des applications ayant des exigences de synchronisation précises lorsque des données sont à risque pendant un défaut de puissance. Les cellules F-RAM sont également très tolérantes à différents types de rayonnements, y compris les rayons X et le rayonnement gamma et sont à l'abri des champs magnétiques, afin de protéger les données enregistrées.
Certains périphériques F-RAM, tels que Excelon LP, fournissent un code de correction d'erreur sur puce (CEC) pouvant détecter et corriger les erreurs mono-bits dans chaque mot de données 64 bits, augmentant la fiabilité de stockage des données de système critique. F-RAM prend également en charge le courant de crête contrôlé (c.-à-d. Contrôle de courant d'appel inférieur à 1,5 mA) pour éviter une décharge excessive de la batterie.
F-RAM peut être logé dans l'emballage qui est efficace spatial. Par exemple, l'Excelon LP offre jusqu'à 8MBIT et est disponible dans des packages GQFN standard de huit broches standard et miniature de l'industrie avec un débit de 50 MHz SPI I / O et 108 MHz QSPI (Quad-SPI) E / S.
L'endurance pratiquement infinie de F-RAM, la non-volatilité instantanée et la faible consommation d'énergie permettent aux concepteurs système de combiner à la fois des données et des fonctions basées sur la ROM dans une seule mémoire.
Les technologies basées sur ROM, y compris MASK-ROM, OTP-EPROM et NOR-Flash, sont non volatile et sont orientées vers les applications de stockage de code.
Nand-Flash et EEPROM peuvent également servir de mémoire de données non volatile. Ceux-ci nécessitent tous des compromis, car ils effectuent à la fois du code et du stockage de données avec des basses performances par rapport aux mémoires alternatives.
Ces technologies se concentrent sur le coût inférieur, ce qui nécessite une réparation de la facilité d'utilisation et / ou de la performance.
Les technologies basées sur la RAM servent de mémoire de données et également à un espace de travail pour l'exécution du code lors de l'exécution de flash prouve trop lentement. La RAM fournit un mélange de fonctionnalités de code et de données, mais sa nature volatile limite son utilisation au stockage temporaire.
Les applications portables nécessitent des performances optimisées dans le moins de composants possible.
L'utilisation de plusieurs types de mémoire peut conduire à des inefficacités, complique la conception de code et consomme généralement plus d'énergie.
L'efficacité et la fiabilité de F-RAM permettent une seule technologie de mémoire de gérer le code et les données.
Il dispose de l'endurance de prendre en charge la journalisation des données à haute fréquence tout en réduisant les coûts du système, augmentant ainsi l'efficacité du système et la complexité du système.
