Gambar 1: Diagram blok dari perangkat stimulasi medis menggunakan memori eksternal untuk mendukung fungsionalitas canggih
Tantangan pertama untuk arsitek sistem adalah untuk mengidentifikasi sistem yang tepat pada chip (SOC) atau mikrokontroler untuk melayani sebagai jantung sistem. Itu harus mampu memberikan kinerja yang diinginkan sambil secara bersamaan mengurangi anggaran daya sistem secara keseluruhan.
Perangkat periferal, seperti ingatan eksternal, sensor, dan antarmuka telemetri harus sebanding dengan kinerja SOC / mikrokontroler, sementara juga mendukung faktor bentuk kompak dan konsumsi daya yang efisien.
Pilihan memori
Perangkat yang dipilih umumnya mengintegrasikan dua jenis kenangan, flash dan SRAM.
Flash adalah memori yang relatif lambat, non-volatile yang mendukung sejumlah siklus tulis. Ini digunakan untuk menyimpan data tetap atau lambat seperti kode aplikasi, informasi sistem, dan / atau log data pengguna pasca-diproses.
SRAM adalah memori akses cepat, volatil yang menyediakan daya tahan siklus tulis tanpa batas. Ini digunakan untuk menyimpan data sistem run-time sementara.
Ketika kompleksitas sistem meningkat, demikian pula kompleksitas kode untuk berbagai fungsi dan algoritma matematika. Kapasitas memori internal on-chip mungkin tidak mencukupi. Sistem medis portabel sering membutuhkan penyimpanan tambahan, membutuhkan desainer untuk menambah memori internal dengan memori eksternal (Gambar 1).
Memori eksternal daya rendah dapat digunakan untuk ekspansi RAM, biasanya SRAM dengan arus aktif dan siaga yang sangat rendah. Pilihan untuk penyimpanan non-volatil termasuk Flash, EEPROM, MRAM, dan F-RAM.
Memori flash serial digunakan untuk program non-volatile dan ekspansi penyimpanan data karena biaya rendah dan ketersediaan kepadatan tinggi. Namun, ia memiliki konsumsi energi yang relatif tinggi, yang mengurangi umur operasi perangkat berbasis baterai.
Beberapa aplikasi menggantikan sebagian memori dengan EEPROM, tetapi ini masih tidak ramah baterai, terutama ketika operasi melibatkan tulisan yang luas ke EEPROM. Ini juga memperumit desain kode aplikasi.
Ram resistif magneto (MRAM) memiliki daya tahan menulis tanpa batas. Kerugiannya, bagaimanapun, adalah bahwa ia mengkonsumsi arus aktif dan siaga yang sangat tinggi dan rentan terhadap medan magnet yang dapat merusak data yang disimpan. Karena itu, karakteristik ini membuatnya tidak cocok di perangkat medis yang dioperasikan dengan baterai.
Ferroelectric RAM (F-RAM), memiliki beberapa keunggulan utama dalam perangkat medis portabel dan memiliki daya tahan siklus tulis tinggi.
Komplikasi medis.
Gambar 2: Konsumsi energi per 4MB Write (μJ) untuk teknologi memori non-volatile
Ketahanan Tulisan yang terbatas dari EEPROM dan FLASH menciptakan masalah potensial untuk perangkat medis yang perlu menyimpan log data yang terus diperbarui. Flash menawarkan daya tahan pada urutan 1E + 5 dan EEPROM adalah 1E + 6. Ketahanan siklus tulis F-RAM adalah 1E + 14 (atau 100 triliun). Ini memungkinkan perangkat untuk dapat mencatat lebih banyak data tanpa harus menerapkan algoritma aus-leveling yang kompleks dan kapasitas tambahan yang berlebihan (Gambar 3).
Keuntungan kedua adalah bahwa arsitektur internal F-RAM mengkonsumsi urutan energi aktif yang lebih rendah daripada flash berbasis muatan atau perangkat penyimpanan EEPROM (Gambar 2).
Misalnya, Excelon F-RAMS dari dukungan Cypress Standby, Power Down Down dan Hibernate Idle Mode. Menerapkan ini ke dalam aplikasi dapat mengurangi konsumsi daya dengan sekitar dua urutan besarnya kombinasi dengan mode daya aktif yang lebih rendah.
Gambar 3: Perbandingan siklus ketahanan untuk teknologi memori non-volatile
EEPROM dan FLASH membutuhkan waktu halaman-program / halaman-tulis halaman tambahan, sehingga meningkatkan waktu aktif sistem untuk operasi penulisan. Non-volatilitas langsung F-RAM memungkinkan sistem yang dioperasikan dengan baterai untuk mematikan catu daya atau lebih cepat menjatuhkan sistem ke dalam mode idle daya rendah untuk mengurangi waktu aktif dan arus aktif.
Ini juga meningkatkan reliabilitas dalam aplikasi yang memiliki persyaratan waktu yang tepat di mana data berisiko selama kesalahan daya. Sel-sel F-RAM juga sangat toleran terhadap berbagai jenis radiasi, termasuk sinar-X dan radiasi gamma dan kebal terhadap medan magnet, untuk melindungi data yang direkam.
Beberapa perangkat F-RAM, seperti Excelon LP, menyediakan kode koreksi kesalahan on-chip (ECC) yang dapat mendeteksi dan memperbaiki kesalahan single-bit dalam setiap kata data 64-bit, meningkatkan keandalan penyimpanan log sistem sistem kritis. F-RAM juga mendukung arus puncak yang dikendalikan (yaitu kontrol arus inrush kurang dari 1,5 mA) untuk mencegah pembuangan baterai yang berlebihan.
F-RAM dapat ditempatkan dalam kemasan yang hemat ruang. Misalnya, Excelon LP menawarkan hingga 8Mbit dan tersedia dalam paket GQFN Eight-Pin delapan-pin standar industri dengan throughput hingga 50MHz SPI I / O dan 108MHz QSPI (Quad-SPI) I / O.
Daya tahan F-RAM yang hampir tak terbatas, non-volatilitas instan dan konsumsi daya rendah memungkinkan perancang sistem untuk menggabungkan data dan fungsi berbasis RAM dan ROM dalam satu memori.
Teknologi berbasis ROM, termasuk Mask-ROM, OTP-EPROM, dan NOR-FLASH, tidak volatile dan berorientasi pada aplikasi penyimpanan kode.
NAND-FLASH dan EEPROM juga dapat berfungsi sebagai memori data non-volatile. Ini semua memerlukan beberapa kompromi, karena mereka melakukan penyimpanan kode dan data dengan kinerja rendah dibandingkan dengan ingatan alternatif.
Teknologi ini fokus pada biaya yang lebih rendah, yang membutuhkan trade-off kemudahan penggunaan dan / atau kinerja.
Teknologi berbasis RAM berfungsi sebagai memori data dan juga sebagai ruang kerja untuk eksekusi kode saat mengeksekusi dari flash terbukti terlalu lambat. RAM menyediakan perpaduan kode dan fungsionalitas data, tetapi sifatnya yang fluktuatif membatasi penggunaannya menjadi penyimpanan sementara.
Aplikasi portabel memerlukan kinerja yang dioptimalkan dalam komponen sesedikit mungkin.
Menggunakan beberapa jenis memori dapat menyebabkan inefisiensi, memperumit desain kode dan biasanya mengkonsumsi lebih banyak energi.
Efisiensi dan keandalan F-RAM memungkinkan untuk satu teknologi memori untuk menangani kode dan data.
Ini memiliki daya tahan untuk mendukung pencatatan data frekuensi tinggi sambil menurunkan biaya sistem, meningkatkan efisiensi sistem dan mengurangi kompleksitas sistem.
