Figura 1: Diagrama de blocos de um dispositivo de estimulação médico usando memória externa para suportar a funcionalidade avançada
O primeiro desafio para os arquitetos do sistema é identificar o sistema certo no chip (SoC) ou microcontrolador para servir como o coração do sistema. Deve ser capaz de fornecer o desempenho desejado, reduzindo simultaneamente o orçamento geral de energia do sistema.
Dispositivos periféricos, como memórias externas, sensores e interfaces de telemetria devem ser comparáveis com o desempenho SOC / Microcontrolador, além de suportar um fator de forma compacta e consumo de energia eficiente.
Escolhas de memória
O dispositivo escolhido geralmente integra dois tipos de memórias, Flash e SRAM.
O Flash é uma memória relativamente lenta e não volátil que suporta um número limitado de ciclos de gravação. Ele é usado para realizar dados fixos ou lentos, como código de aplicativo, informações do sistema e / ou registros de dados do usuário pós-processados.
O SRAM é uma memória volátil de acesso rápido, que fornece resistência de ciclo de gravação ilimitada. É usado para armazenar dados temporários do sistema de tempo de execução.
Como a complexidade do sistema aumenta, o mesmo acontece com a complexidade de código para as múltiplas funções matemáticas e algoritmos. A capacidade interna da memória no chip pode ser insuficiente. Os sistemas médicos portáteis geralmente precisam de armazenamento adicional, exigindo que os designers aumentem a memória interna com memória externa (Figura 1).
Uma memória externa de baixa potência pode ser usada para expansão de RAM, tipicamente um SRAM com corrente ativa e de espera extremamente baixa. Opções para armazenamento não volátil incluem Flash, EEPROM, MRAM e F-RAM.
A memória flash serial é usada para expansão de armazenamento e armazenamento de dados não voláteis devido ao seu baixo custo e à disponibilidade de altas densidades. No entanto, tem consumo de energia relativamente alto, que reduz a vida operacional de dispositivos baseados em bateria.
Alguns aplicativos substituem uma parte da memória por um EEPROM, mas isso ainda não é amigável por bateria, especialmente quando as operações envolvem escrito extensas para o EEPROM. Também complica o design do código de aplicativos.
A RAM magneto-resistiva (Mram) tem resistência de escrita ilimitada. Sua desvantagem, no entanto, é que consome correntes ativas e de espera muito altas e seja suscetível a campos magnéticos que podem corromper os dados armazenados. Essas características, portanto, tornam inadequadas em dispositivos médicos operados por bateria.
RAM Ferroelétrico (F-RAM), tem várias vantagens principais em dispositivos médicos portáteis e possui alta resistência do ciclo de gravação.
Complicações médicas
Figura 2: Consumo de energia por 4MB de gravação (μJ) para tecnologias de memória não voláteis
A resistência de escrita limitada do EEPROM e o Flash cria problemas potenciais para dispositivos médicos que precisam armazenar logs de dados que estão sendo atualizados constantemente. O Flash oferece resistência na ordem de 1E + 5 e EEPROM é 1E + 6. A resistência do ciclo de gravação F-RAM é 1e + 14 (ou 100 trilhões). Isso permite que os dispositivos possam registrar mais dados sem precisar implementar algoritmos complexos de nivelamento de desgaste e capacidade adicional de excesso de fornecimento (Figura 3).
Uma segunda vantagem é que a arquitetura interna do F-RAM consome ordens de maior energia ativa mais baixa do que os dispositivos de armazenamento flash ou eeprom baseados em carga (Figura 2).
Por exemplo, o Excelon F-Rams do Cypress Support Standby, de baixa energia e nos modos de hibernação. Implementando-os em um aplicativo pode reduzir o consumo de energia aproximadamente duas ordens de magnitude em combinação com o menor modo de energia ativa.
Figura 3: Comparação de ciclo de resistência para tecnologias de memória não voláteis
O EEPROM e o Flash requerem tempos adicionais de ciclo de programa de página / gravação de página, aumentando o tempo ativo do sistema para operações de gravação. A não-volatilidade imediata do F-RAM permite que os sistemas operados por bateria desliguem completamente a fonte de alimentação ou mais rapidamente descartar o sistema em um modo de baixa potência para reduzir o tempo ativo e a corrente ativa.
Isso também aumenta a confiabilidade em aplicativos que têm requisitos de tempo precisos em que os dados correm em risco durante uma falha de energia. As células F-RAM também são altamente tolerantes a vários tipos de radiação, incluindo raios X e radiação gama e são imunes a campos magnéticos, para proteger os dados gravados.
Alguns dispositivos F-RAM, como o Excelon LP, fornecem código de correção de erros no chip (ECC) que pode detectar e corrigir erros de bit único em cada palavra de dados de 64 bits, aumentando a confiabilidade do armazenamento de dados de dados críticos do sistema. A F-RAM também suporta a corrente de pico controlada (ou seja, controle de corrente de inrush inferior a 1,5 mA) para evitar a descarga excessiva da bateria.
O F-RAM pode ser alojado na embalagem que é eficiente em termos de espaço. Por exemplo, o Excelon LP oferece até 8 MBIT e está disponível na indústria padrão de oito pinos SOIC e miniatura Pacotes GQFN de oito pinos com taxa de transferência até 50MHz SPI E / S e 108MHz QSPI (Quad-SPI) E / S.
A resistência virtualmente infinita do F-RAM, a não volatilidade instantânea e o baixo consumo de energia permitem que os designers do sistema combinem dados e funções baseadas em RAM e ROM dentro de uma única memória.
As tecnologias baseadas em ROM, incluindo máscara-ROM, OTP-EPROM e Nor-Flash, são não voláteis e são orientadas para aplicativos de armazenamento de código.
Nand-Flash e EEPROM também podem servir como memória de dados não volátil. Todos exigem algum compromisso, uma vez que realizam o armazenamento de código e dados com baixo desempenho em comparação com memórias alternativas.
Essas tecnologias se concentram no menor custo, o que requer um trade-off de facilidade de uso e / ou desempenho.
As tecnologias baseadas em RAM servem como memória de dados e também como espaço de trabalho para execução de código quando a execução do flash prova muito lenta. A RAM fornece uma mistura de código e funcionalidade de dados, mas sua natureza volátil limita seu uso para armazenamento temporário.
Aplicativos portáteis requerem desempenho otimizado em apenas componentes possíveis.
O uso de vários tipos de memória pode levar a ineficiências, complica o design de código e geralmente consome mais energia.
A eficiência e a confiabilidade da F-RAM possibilitam que uma única tecnologia de memória manipule o código e os dados.
Ele tem a resistência para suportar o registro de dados de alta freqüência enquanto reduz o custo do sistema, aumentando a eficiência do sistema e reduzindo a complexidade do sistema.
