Figura 1: diagramma a blocchi di un dispositivo di stimolazione medico utilizzando la memoria esterna per supportare funzionalità avanzate
La prima sfida per gli architetti del sistema è identificare il sistema giusto sul chip (SOC) o il microcontrollore per servire come cuore del sistema. Deve essere in grado di fornire la performance desiderata contemporaneamente riducendo allo stesso tempo il budget energetico del sistema generale.
I dispositivi periferici, come le memorie esterne, i sensori e le interfacce di telemetria devono essere comparabili con le prestazioni SOC / Microcontroller, supportando anche un fattore di forma compatto e un consumo energetico efficiente.
Scelte di memoria
Il dispositivo scelto generalmente integra due tipi di memorie, flash e sram.
Flash è una memoria non volatile relativamente lente-scrittura che supporta un numero limitato di cicli di scrittura. Viene utilizzato per contenere dati fissi o rallentati come il codice dell'applicazione, le informazioni di sistema e / o i registri dei dati utente post-elaborati.
SRAM è una memoria di accesso rapido e volatile che fornisce resistenza al ciclo di scrittura illimitata. Viene utilizzato per memorizzare i dati del sistema di runtime temporaneo.
Come aumenta la complessità del sistema, quindi la complessità del codice per le più funzioni e algoritmi matematici multipli. La capacità di memoria interna sul chip potrebbe essere insufficiente. I sistemi medici portatili hanno spesso bisogno di spazio aggiuntivo, che richiede ai progettisti di aumentare la memoria interna con la memoria esterna (figura 1).
Una memoria esterna a bassa potenza può essere utilizzata per l'espansione RAM, in genere un SRAM con corrente attiva e di standby estremamente bassa. Le opzioni per lo stoccaggio non volatile includono flash, eeprom, mram e f-ram.
La memoria flash seriale viene utilizzata per il programma non volatile e l'espansione di archiviazione dei dati a causa del suo basso costo e della disponibilità di elevate densità. Tuttavia, ha un consumo di energia relativamente elevato, che riduce la durata operativa dei dispositivi basati sulla batteria.
Alcune applicazioni sostituiscono una parte della memoria con un EEPROM, ma questo non è ancora adatto alla batteria, specialmente quando le operazioni coinvolgono ampie scritture all'EEPROM. Complica anche la progettazione del codice dell'applicazione.
RAM MAGNETO-RESISTIVE (Mram) ha una resistenza scritta illimitata. Il suo svantaggio, tuttavia, è che consuma correnti attiva e standby molto elevate ed è suscettibile ai campi magnetici che possono corrompere i dati memorizzati. Queste caratteristiche rendono quindi inadatto a dispositivi medici a batteria.
RAM ferroelettrica (F-RAM), ha diversi vantaggi chiave in dispositivi medici portatili ed ha un'elevata resistenza al ciclo di scrittura.
Complicazioni mediche
Figura 2: consumo di energia per 4 MB di scrittura (μJ) per tecnologie di memoria non volatili
La limitata resistenza della scrittura di EEPROM e Flash crea potenziali problemi per dispositivi medici che devono memorizzare i registri di dati che vengono costantemente aggiornati. Flash offre la resistenza all'ordine di 1E + 5 ed EEPROM è 1E + 6. La resistenza del ciclo di scrittura F-RAM è 1e + 14 (o 100 trilioni). Ciò consente ai dispositivi di essere in grado di registrare più dati senza dover implementare complessi algoritmi di livellamento dell'usura e sovrastampazione supplementare (figura 3).
Un secondo vantaggio è che l'architettura interna del F-RAM consuma ordini di energia più bassa di energia attiva rispetto ai dispositivi di archiviazione flash o eeprom basati su carica (figura 2).
Ad esempio, Excelon F-Ram da Cypress Support Standby, Deep Power Down e Ibernate IDLE MODE IDLE. L'implementazione in un'applicazione può ridurre il consumo energetico di circa due ordini di grandezza in combinazione con la modalità di alimentazione attiva più bassa.
Figura 3: confronto del ciclo di resistenza per tecnologie di memoria non volatili
EEPROM e FLASH richiedono ulteriori tempi di ciclo del programma di pagina / programma di pagina, aumentando così il sistema attivo del sistema per le operazioni di scrittura. La non volatilità immediata della F-RAM consente ai sistemi a batteria per spegnere completamente l'alimentazione o più rapidamente rilasciare il sistema in una modalità di inattività a bassa potenza per ridurre il tempo attivo e la corrente attiva.
Ciò migliora anche l'affidabilità nelle applicazioni che hanno requisiti di temporizzazione precisi in cui i dati sono a rischio durante un guasto di potenza. Le cellule F-RAM sono anche altamente tolleranti a vari tipi di radiazioni, comprese raggi X e radiazioni gamma e sono immune a campi magnetici, per proteggere i dati registrati.
Alcuni dispositivi F-RAM, come Excelon LP, forniscono il codice di correzione dell'errore in chip (ECC) che possono rilevare e correggere gli errori a singolo bit in ogni parola dati a 64 bit, aumentando l'affidabilità della memorizzazione dei registri dei dati del sistema critico. F-RAM supporta anche la corrente di picco controllato (ad es. Controllo corrente di corrente inferiore a 1,5 mA) per evitare lo scarico eccessivo della batteria.
F-RAM può essere ospitato in confezione che è efficiente dal punto di vista dello spazio. Ad esempio, Excelon LP offre fino a 8 Mbit ed è disponibile in confezioni GQFN a otto pin standard industriale e in miniatura con pacchetti GQFN a otto pin con throughput fino a 50 MHz SPI I / O e 108 MHz QSPI (Quad-SPI) I / O.
La resistenza virtualmente infinita dell'F-RAM, la non volatilità istantanea e il consumo di potenza a basso consumo di energia consentono ai progettisti di sistemi di combinare sia dati e funzioni basati su RAM e ROM all'interno di un'unica memoria.
Le tecnologie basate su ROM, tra cui Mask-Rom, OTP-EPROM e NOR-FLASH, sono non volatili e sono orientate alle applicazioni di archiviazione del codice.
NAND-FLASH e EEPROM possono anche fungere da memoria dati non volatile. Tutto ciò richiede un compromesso, poiché eseguono sia il codice che la memorizzazione dei dati con a bassa prestazione rispetto ai ricordi alternativi.
Queste tecnologie si concentrano sul costo inferiore, che richiede un compromesso di facilità d'uso e / o prestazioni.
Le tecnologie basate su RAM servono come memoria dati e anche come spazio di lavoro per l'esecuzione del codice durante l'esecuzione dal flash risulta troppo lento. RAM fornisce una miscela di codici e funzionalità dei dati, ma la sua natura volatile limita il suo uso a memoria temporanea.
Le applicazioni portatili richiedono prestazioni ottimizzate nel minor numero possibile di componenti.
L'utilizzo di più tipi di memoria può portare a inefficienze, complica la progettazione del codice e tipicamente consuma più energia.
L'efficienza e l'affidabilità della F-RAM consente a una singola tecnologia di memoria per gestire sia il codice che i dati.
Ha la resistenza per supportare la registrazione dei dati ad alta frequenza durante l'abbassamento del costo del sistema, l'aumento dell'efficienza del sistema e riducendo la complessità del sistema.
