Производители оборудования для конечных пользователей чрезвычайно довольны, когда их промышленная или медицинская продукция остается на рынке 20 лет и более. Когда поставщик интегральных схем объявляет об отзыве продукции в связи с внедрением нового технологического процесса, переналадка становится серьезной проблемой для этих системных разработчиков, отвлекая инженерные ресурсы и добавляя непредвиденные расходы к существующим планам. Интегральные схемы Flash NOR (для этих продуктов обычно требуется от 1 Мбит до 8 Мбит) — это устройства, долговечность которых обходится особенно дорого. Это связано с тем, что более плотные представители семейства Flash NOR (от 256 Мбит до более 1 Гбит) определяют бизнес-решения поставщиков памяти, что приводит к постоянному давлению на внедрение технологических процессов с меньшими размерами и более коротким сроком службы продукции. В этой статье обсуждается проблема долговечности Flash NOR и решение, предложенное компанией Microchip Technology.
Прогнозы по памяти низкой плотности:
Крупнейшие поставщики NOR Flash, что вполне понятно, сосредоточены на высокорентабельных, массово производимых и высокоплотных запоминающих устройствах. Каждая компания обязана использовать свои сильные стороны для максимизации прибыли и предоставления наибольшей ценности своим клиентам при минимальных затратах. За четыре десятилетия существования NOR Flash это привело к тому, что оставшиеся поставщики памяти были вынуждены отказаться от своих продуктов с низкой плотностью, выпускавшихся в предыдущие годы. По мере развития диапазона очень высокой плотности, через несколько лет диапазон очень низкой плотности достигает конца своего срока службы, и нижний предел также повышается. Для поставщиков встраиваемых систем, чья продукция существует более 20 лет, эти изменения в интегральных схемах могут означать не только новую версию устройства от текущего поставщика, но и совершенно нового поставщика.
Одним из решений этой болезненной проблемы является обеспечение перспективности конструкции системы за счет использования 128-мегабитной интегральной схемы NOR Flash для хранения 4 Мбит пользовательского программного кода. Однако такой подход может привести к неэффективности потребления и общей стоимости системы. Другой вариант решения — использовать нетрадиционного поставщика NOR Flash-памяти, у которого есть другие деловые причины для поставки одного и того же продукта памяти более 20 лет. У такого поставщика может не быть эффекта масштаба в объеме производства памяти, чтобы предложить самую низкую текущую стоимость при первоначальном ценовом предложении, но со временем, с учетом затрат на переаттестацию и инженерных ресурсов, потерянных на проведение этих переаттестаций, можно будет найти гораздо более дешевое решение этой проблемы с поставками.
Компания Microchip осознала эту меняющуюся ситуацию много лет назад, поскольку она затрагивает широкую базу клиентов, использующих встроенные системы. Негативное влияние этой тенденции к увеличению плотности на бизнес-планы и цели потребовало изменения стратегии. В результате появился нетрадиционный поставщик интегральных схем NOR Flash-памяти, который предлагает последовательные SRAM, последовательные EEPROM, аналоговые ИС и датчики. Эти «другие деловые причины» обеспечивают необходимую мотивацию для продолжения поставок интегральных схем NOR Flash низкой плотности до тех пор, пока это необходимо клиентам. Следует также отметить, что эти продукты памяти достигают плотности даже более 64 Мбит, и поставщики памяти будут продолжать предлагать такие показатели в течение следующих 20 лет и более.
На рисунке 1 показаны рассматриваемые типы систем: микроконтроллер, окруженный другими интегральными схемами, которые обеспечивают работу встроенного приложения. В этом примере выделенная 8-мегабитная NOR Flash-память содержит изображения экрана, которые передаются через интегральную схему на сенсорный экран по запросу программного кода, в данном случае встроенного в микроконтроллер. Основные характеристики этой внешней NOR Flash-памяти: 1) 8 Мбит, 2) стандартный интерфейс SPI, 3) низкий ток в режиме ожидания, 4) низкий ток записи, 5) компактные размеры и 6) наличие в производстве в течение 20 лет.
В таблице 1 сравниваются два предложенных решения: перспективная 128-мегабитная NOR-флэш-микросхема и 8-мегабитная NOR-флэш-микросхема с длительным сроком поставки от нетрадиционного поставщика памяти. Очевидно, что 8-мегабитная NOR-флэш-микросхема лучше отвечает требованиям встроенных приложений.
Таблица 1. Сравнение 128-мегабитной флэш-памяти NOR и 8-мегабитной флэш-памяти NOR выявляет явные преимущества.
Использование NOR-флэш-памяти низкой плотности.
Как уже объяснялось, хотя NOR-флэш-память низкой плотности может не соответствовать планам или стратегии крупных поставщиков NOR-флэш-памяти, она идеально вписывается в ассортимент продукции и стратегию компании, специализирующейся на встроенных продуктах для системного подхода. Например, в среднем домохозяйстве обычно имеется несколько десятков встроенных систем с 8-, 16- или даже 32-битными микроконтроллерами. Многие из этих систем не требуют большого объема кода, и NOR-флэш-память часто предоставляет программный код, данные калибровки, параметры калибровки и журналы событий, среди прочего. Хотя многие
микроконтроллеры поставляются со встроенной флэш-памятью для выполнения этих задач, существуют ситуации, как показано на рисунке 1, когда для некоторых из этих функций целесообразнее использовать внешнюю NOR-флэш-память. Наиболее распространенные причины включают в себя балансировку стоимости комплектующих с размером флэш-памяти, предлагаемой микроконтроллером, несоответствие между функциональностью микроконтроллера и размером встроенной флэш-памяти, более быстрое время перепрограммирования флэш-памяти для тестирования во время онлайн-производства и обновления системы в полевых условиях, и другие.
Кроме того, специализированные интегральные схемы (ASIC) с меньшим количеством логических элементов, такие как программируемые пользователем вентильные матрицы (FPGA) и сложные программируемые логические устройства (CPLD), используют флэш-память NOR низкой плотности для программирования приложений, загрузочного кода и для выполнения на месте (XIP). Микросхемы флэш-памяти NOR идеально подходят для приложений XIP, обеспечивая низкое энергопотребление в режиме ожидания и прямой доступ через стандартный последовательный интерфейс, такой как SPI.
Устройства флэш-памяти NOR низкой плотности, доступные в 8-контактных корпусах, таких как 8-контактные SOIC и 8-контактные WDFN (6 мм x 5 мм), также очень эффективно используют пространство на печатной плате. Для устройств с ограниченным пространством, таких как электрическая зубная щетка, корпус WLCSP (Wafer Level Chip Scale Package) обеспечивает значительную экономию места (почти 69%), как показано на рисунке 2.
Рисунок 2. Разница в размерах пакетов между 8-мегабитным и 128-мегабитным WLCSP может быть весьма существенной, особенно при очень ограниченном пространстве.
Время перепрограммирования флэш-памяти в 1000 раз быстрее
Хотя Microchip не является традиционным поставщиком памяти, она производит большое количество флэш-памяти. Действительно, ежегодно отгружаются миллиарды микроконтроллеров, содержащих флэш-память. Флэш-память также предлагает значительное техническое и стратегическое преимущество, называемое технологией SuperFlash®. Эти ячейки флэш-памяти имеют структуру, обеспечивающую самое быстрое время стирания на рынке: в 20 раз быстрее для стирания блоков и в 1000 раз быстрее для стирания всего чипа. Хотя перепрограммирование NOR Flash-памяти не является распространенной практикой среди крупных поставщиков NOR Flash-памяти, оно стало огромным преимуществом в небольших встроенных системах, поскольку снижает производственные затраты (перепрограммирование образа памяти на производственной линии для улучшения тестирования системы) и предлагает быстрый и энергоэффективный способ обновления системы в полевых условиях. Возвращаясь к предыдущему сравнению 128 Мбит, 128-мегабитная NOR Flash (без технологии SuperFlash) обычно характеризуется максимальным временем стирания блока от 0,7 до 1 с. В отличие от этого, 8-мегабитная NOR Flash (с улучшенной технологией SuperFlash) имеет максимальное время стирания блока всего 25 мс (в 30 раз быстрее). Помимо экономии времени, разница в энергопотреблении во время стирания/перезаписи составляет приблизительно 800 мс * 33 мА на каждое стирание блока во время цикла перезаписи.
Встроенная флэш-память NOR в новые разработки
Компания Microchip Technology, являясь ведущим поставщиком интеллектуальных, подключенных и безопасных решений для управления встраиваемыми системами, обладает уникальным видением многих аспектов встраиваемых систем, и Flash NOR является неотъемлемой частью этого видения. Для обеспечения надежности разработок, срок службы которых может исчисляться десятилетиями, Microchip Technology внедрила методы, направленные на гарантирование доступности продукции до тех пор, пока клиентам требуется замена. В то время как некоторые поставщики могут прекратить выпуск продукции Flash NOR или даже отозвать ее, это обязательство обеспечивает доступность для приложений малого, среднего и даже крупного производства. Такая долговечность гарантирует, что клиенты смогут удовлетворять свои потребности в области встраиваемых систем столько, сколько потребуется.
SuperFlash — зарегистрированный товарный знак компании Microchip Technology.
Автор: Грант Халс, подразделение продуктов памяти, Microchip Technology
