מתיאס פופל, טקסס אינסטרומנטס
חברת טקסס אינסטרומנטס הכריזה על ספורטאי חדש בעל יכולות מפליאות בזירת הזיכרונות המשובצים, המכונה FRAM – זיכרון פרו–אלקטרי (ferroelectric) לגישה אקראית. במאמר זה מתבצעת השוואה של ביצועיו של הספורטאי הזה בחמישה תחומים אל מול המתחרה המבוסס מזה זמן רב בשוק, זיכרון ההבזק (FLASH). בטרם נפנה להשוואה, נבחן “בקרני רנטגן” את שני הספורטאים האלו על מנת להבין כיצד הם פועלים.
כיצד פועל זיכרון FRAM בהשוואה לזיכרון הבזק?
זיכרון FRAM בנוי באופן דומה לזיכרון DRAM המורכב מטרנזיסטור הממתג את הזרם, מחד, ומקבל המאחסן את המידע, מאידך. השוני נעוץ בחומר הדיאלקטרי של הקבל שבו נעשה שימוש בחומר פרו–אלקטרי (ferroelectric) המכונה עופרת זירקונתית טיטנתית (עופרת עם מלחי זירקון וטיטן – Lead Zirconate Titanate), PZT). אין לבלבל בין המונח “פרו–אלקטרי” לבין המונח “פרו–מגנטי”. רק היחס בין המתח לבין המטען של החומר הפרו–אלקטרי נראה דומה לצורת ההיסטרזיס (חשל) של החומר הפרו–מגנטי. זיכרון FRAM אינו מכיל ברזל ואינו רגיש לשדות מגנטיים. בנוכחות שדה חשמלי, דו–קוטב בתוך הגביש מקבל צורה על ידי הזזה של אטומים ושל מטען חשמלי לאורך הכיוון של השדה. שתי דרגות הקיטוב האפשריות מייצגות את המצבים “1” ו–”0” הלוגיים. זיכרון FRAM הוא זיכרון בלתי נדיף, מאחר שהקיטוב הזה נשאר באופן יציב גם לאחר שמסירים את השדה החשמלי. ה”מיתוג” של מצב הדו–קוטב מהיר ודורש אנרגיה מועטה בלבד.
תא של זיכרון הבזק – בדרך כלל NOR הבזק משמש בבקרי מיקרו – מורכב מטרנזיסטור MOSFET יחיד עם שני חיבורי gate (שער), שנמצאים האחד על השני. חיבור gate המשמש לבקרה (Control Gate) ממתג את הזרם מחיבור source אל חיבור drain, בדומה לטרנזיסטור NMOS רגיל. חיבור gate הצף (Floating Gate) שמתחת לחיבור הבקרה, מבודד באופן מלא באמצעות תחמוצת. מצב לוגי “1” מיוצג על ידי מצב “אין מטען” בחיבור gate הצף. חיבור מתח סף אל gate הבקרה ממתג את הערוץ למצב פתוח, ובמצב זה, אפשר למדוד את הזרם שזורם. על מנת לתכנת את התא למצב לוגי “0”, מחברים מתח גבוה יותר, בדרך כלל 12–14 וולט, אל חיבור הבקרה. כעת הזרם שבין חיבורי source ו–drain הופך להיות גבוה מספיק כדי לגרום לכמה אלקטרונים לקפוץ דרך מחסום התחמוצת אל חיבור gate הצף. תהליך זה מכונה הזרקת אלקטרונים חמה. המטען שבחיבור הצף ינקז את הערוץ במצב קריאה רגילה, כך שלא תהיה אפשרות למדוד מספיק זרם לגילוי מצב “1”. המחיקה של זיכרון ההבזק חזרה למצב “0” לוגי – שהיא אפשרית בדרך כלל רק בבלוק של תאים המכונה סקטור (sector) – נעשית על ידי חיבור מתח תכנות גבוה בקוטביות הפוכה, אשר גורם לאלקטרונים לנוע החוצה מחיבור gate הצף
באמצעות מינהור קוונטי (quantum tunneling). תכנות ומחיקה של זיכרון הבזק אורכים זמן מה ונדרשים להם מתחים גבוהים יותר שאותם מספקות “משאבות קבלים” (charge pump) שעל השבב ומייצרות אותם ממתח הכניסה. האלקטרונים שבחיבור gate הצף, אשר מכילים את המידע הבינרי, נשארים שם באופן אמין במשך שנים, אם כי כל פגם בשכבת התחמוצת המבודדת או כל תופעה פיסיקלית הנגרמת מקרינה – למשל כזו שגורמת לאלקטרונים לזלוג אל חיבור gate הצף או מתוכו – עלולים לגרום למה שמכונה “היפוך סיבית” (bit flip).
מבנה גביש PZT – שינוי בקיטוב הגביש
איור: gate צף כפי שמשמש בזיכרון הבזק מסוג NOR
קרב החמש של זיכרון FRAM
הספורטאי האוניברסלי
היש מישהו, מבין אלו המצויים בשוק העיבוד המשובץ, איש אינו מכיר את השאלות העולות כבר בתחילת דרכו של פרוייקט בעת בחירת המעבד ובמיוחד בעת בחירת קונפיגורציית הזיכרון שלו? כמה זיכרון לא נדיף נדרש עבור התוכנית ועבור הנתונים? עד כמה גדולה תוכנית הטעינה באתחול? כמה מרווח זיכרון יידרש לנו עבור תכונות נוספות שניזקק להן, או האם נשתמש בזיכרון הבזק חיצוני ובזיכרון SRAM בלבד על השבב? כמה זיכרון SRAM יידרש לנו בזמן הפעולה של התוכנית, עבור הנתונים, כזיכרון טיוטה? האם יהיה עלינו לבצע רישום של נתונים בתדירויות גבוהות שעליהם נרצה לכתוב באופן קבוע והאם יהיה עלינו להקצות זיכרון EEPROM חיצוני למטרה זו?
עם הופעת זיכרון FRAM, יש לנו שחקן אוניברסלי, ללא קשר אם השתמשנו קודם לכן בזיכרון הבזק, בזיכרון SRAM או בזיכרון EEPROM. זיכרון FRAM הוא לא נדיף, הוא שומר את התוכן שלו לאחר כיבוי המתח. במשפחת MSP430FR57xx נשמרת על השבב מספיק אנרגיה כדי להשלים את פעולת הכתיבה לזיכרון אפילו במקרה של הפסקת המתח ובכך לשמור על מצב מוגדר. מעל לכל, המתכננים אינם צריכים עוד לדאוג בנוגע לגודל הסקטורים בזיכרון ולמגבלות הנובעות מבעיית מחיקת הסקטורים מאחר שזיכרון FRAM מציע אף תכנות של סיביות. המתכננים חופשיים לקבוע חלוקת מחיצות (partition) בזיכרון שעל השבב על פי צורכיהם.
ללא מזון, כמעט
בניסוי שערכנו, כתבנו נתונים במהירות של 13 קילו–ביית בשניה לזיכרון FRAM של MSP430FR5739 במקרה אחד ולזיכרון הבזק של MSP430F2274 במקרה השני. התרשים שלהלן מציג את צריכת הזרם שנדרשה בשני המקרים.
אם נניח ש–9 מיקרו–אמפר הם שווי ערך לבננה אחת שאותה נדרש הספורטאי שלנו לשאת כמאגר אנרגיה לביצוע המשימה, הרי שעל מנת לבצע את אותה המשימה, המתחרה יצטרך לשאת תרמיל גב גדול ובו 224 בננות. זהו יתרון משקל נחמד אשר אין ספק שיזכה להערכה של כל מי שניסה אי פעם לרוץ.
המשמעות של כל זאת בעולם העיבוד המשובץ היא חיסכון משמעותי בהספק מאחר שהגישה לזיכרון היא פונקציה חיונית בכל יישום עם בקר מיקרו. הסיבה העיקרית לפעולת הזיכרון בצריכת הספק נמוכה ביותר היא שלזיכרון FRAM נדרשת אנרגיה מועטה והתכנות שלו מתבצע במתח של 1.4 וולט בעוד שלזיכרון הבזק נדרשת משאבת קבלים כדי לספק את מתחי התכנות של 12–14 וולט.
אלוף המרוצים ל–400 מ’
גם כאן אנו משווים בין שני המתחרים שלנו מהניסוי הקודם. כעת אנו כותבים 64 ביית של נתונים לזיכרון FRAM ולזיכרון ההבזק בהתאמה, תוך מדידת הזמן הנדרש לכך. הכתיבה לזיכרון של MSP430FR5738 אורכת 1.6 מיקרו–שנייה והכתיבה לזיכרון של MSP430F5438 אורכת 1.6 מילי–שנייה בערך. היפוך הדו–קוטב בגביש זיכרון FRAM הוא מהיר בהשוואה לדחיפת המטען דרך שכבת תחמוצת עבה אל חיבור gate הצף.
על מנת לדמיין את ההבדל נציב את שני הספורטאים שלנו בתחרות זינוק ל–400 מ’. שניהם מוכנים, מרפרפים על פני הקרקע בהמתנה ליריית הזינוק. עם הישמע האות, אצן זיכרון ההבזק שלנו עדיין עסוק בזמן התגובה האנושי שלו ועדיין לא עזב את אדן הזינוק שלו, בשעה שאצן זיכרון FRAM כבר כמעט השלים את ההקפה השלישית שלו. בזמן שאצן זיכרון ההבזק משלים את הקפת 400 המטרים הראשונה שלו – במהירות של שיא עולמי – אצן זיכרון FRAM הספיק להשלים אלף הקפות.
יישומים המיועדים להספק נמוך יזכו ביתרון מזמן הכתיבה המהיר מאוד הזה מאחר שאפשר לקצר את זמני ההתעוררות של המעבד ובכך להאריך את חיי הסוללה. יתרון נוסף הוא החיסכון בזמן ובכסף במהלך תכנות בתוך המעגל, כאשר אפשר לקצר באופן משמעותי את זמן ההורדה של הקוד אל ההתקן.
המרתון
מהריצה הקצרה אנו עוברים לתחום הסיבולת. מחזורי הכתיבה והמחיקה של זיכרון הבזק משובץ מוגבלים ל–10,000 מחזורים, במקרים יוצאי דופן ל–100,000 מחזורים. לעומתו, לזיכרון FRAM יש סיבולת כתיבה של לפחות 1014 מחזורים.
מתוך ניסיון להעלות בדמיון את ההפרש בין שני המספרים האלה, הנחנו ש–105 מחזורים מייצגים סיבולת הנחוצה לריצת מרתון של 42 ק”מ. בשעה שרץ זיכרון ההבזק עובר את המרחק שבין מרתון (העיר העתיקה) לבין אתונה פעם אחת, רץ זיכרון FRAM מקיף את כדור הארץ לאורך קו המשווה, לא פעם אחת אלא מיליון פעמים.
מנגנון הדו–קוטב שבזיכרון FRAM עמיד ביותר ואינו מראה כל תופעה של בלאי אחרי 1014 מחזורים. קיימים מחקרים המוכיחים שטכנולוגיה זו יכולה לעבור אף 1016 מחזורים. סיבולת כתיבה זו היא הרבה מעבר לנדרש כיום מזיכרון לא נדיף המשמש ביישום כלשהו. עם זאת, זיכרון הבזק אינו סוג הזיכרון היחיד שבו צריך זיכרון FRAM להתחרות. מאחר שאנו מעונינים להשתמש בזיכרון FRAM כתחליף לזיכרון SRAM, כחלק מזיכרון אוניברסלי, עלינו לבדוק את דרישות מחזורי זיכרון SRAM. בציוד המופעל בסוללה למשל, גישה לאותו מיקום בזיכרון במחזור עבודה (duty cycle) פעיל של 10 אחוזים ב–8 מגה–הרץ תניב אורך חיים של 8 שנים ב–1014 מחזורים, ול–80 שנה בערך במקרה של 1016 מחזורים.
השחקן המשוריין
ספורטאי זיכרון FRAM שלנו הוא לא רק מהיר, מתמיד וחסכוני בכל האמור לצריכת אנרגיה, אלא הוא גם קשוח ומשוריין בדומה לשחקן פוטבול אמריקאי.
כפי שהוסבר קודם לכן, זיכרון FRAM לא מכיל ברזל והוא אינו פרו–מגנטי. לכן, זיכרון FRAM אינו מושפע משדות מגנטיים. הרגישות לשדות חשמליים גם היא נמוכה ביותר. אפילו שדה של 50 קילו–וולט בקרבה מיידית אינו יכול ליצור מתח גדול דיו, שיכול להשפיע על תא זיכרון. התופעה שבה קרינה של חלקיקי אלפא, יונים, קרינה קוסמית קרני גאמה או קרני רנטגן (קרני x) גורמים לתא סיבית להתהפך למצב ההפוך מכונה “שגיאת תוכנה” (soft error) ומתרחש ב”קצב של שגיאות תוכנה” – SER. כל טכנולוגיית זיכרון המשתמשת במטען השמור בקבל עלולה להיות מושפעת. אין אלו פני הדברים כשמדובר בזיכרון FRAM. לא סביר שחלקיק יפגע בדו–קוטב של זיכרון FRAM וישנה את הקיטוב שלו. קצב SER שנגרם מתופעות ארציות עבור זיכרון FRAM אינו נמצא בתחום המדיד.
בקר המיקרו MSP430 להספק נמוך ביותר של טקסס אינסטרומנטס עובר לשימוש בזיכרון FRAM
עיבוד משובץ אינו ספורט ליחידים. לכל שחקן כוכב נדרשת קבוצה. תוספת של זיכרון FRAM למעבדי המיקרו בסדרת MSP430 מפרה את ה–DNA של המשפחה הזו ומאפשר הספק נמוך וביצועים גבוהים. קו מוצרי MSP430FR57xx הראשון עם זיכרון FRAM שזמין כיום בשוק משתמש בליבת MSP430 המוכרת היטב, אשר פועלת ב–24 מגה–הרץ וצורכת 100 מיקרו–אמפר למגה–הרץ בלבד. מהירויות הכתיבה המהירות של זיכרון FRAM המהיר בהספק נמוך מסייעות עוד להקטין את פרקי הזמן שבהם על המעבד להימצא במצב “ער”, ובכך הן מאריכות עוד את זמן חיי הסוללה או מאפשרות אף יישומים חדשים כגון קצירת אנרגיה (energy harvesting). ההתקנים ההיקפיים האנלוגיים בעלי הדיוק הגבוה של MSP430 מספקים גמישות גבוהה לגישה ושיפור נתונים שאותם אפשר לשמור ולכתוב עליהם באופן רציף. התקני משפחת MSP430FR57xx נתונים במארזי QFN ו–TSSOP, כאשר מארז QFN הוא בגודל 4 x 4 מ”מ ובמחיר פתיחה של 1.20 דולר בלבד בכמויות של 10,000.
הכלי הראשון הזמין הוא מעגל הניסוי MSP-EXP430FR5739 ExperimenterBoard, פלטפורמה שיכולה לסייע בהערכה ובהנעת הפיתוח של יישומי איסוף נתונים, קצירת אנרגיה, חישה אלחוטית, תשתית מדידה אוטומטית (AMI) ויישומים נוספים עבור 29 דולר בלבד. הכלי משלב כמה חיישנים ואפשרויות קישור כולל:
* מד תאוצה בשלושה צירים
* תרמיסטור NTC
* תצוגה של שמונה נוריות LED
* עקבת מעגל בחורים עוברים עבור חיישן LDR נוסף
* שני מתגי כניסות משתמש
* חיבור לרוב כרטיסי הבת האלחוטיים של טקסס אינסטרומנטס (לדוגמה CC2520EMK)
אפשר להפעיל את ההתקן MSP430FR5739 שבמעגל הניסוי ולנפות ממנו שגיאות דרך חיבור ezFET או דרך כלי אמולציה לזיכרון הבזק של טקסס אינסטרומנטס, כגון MSP-FET430UIF.
מסקנות
ההישגים שזיכרון FRAM משיג בקרב החמש בין זיכרונות בתחומי צריכת ההספק, מהירות הכתיבה, העמידות (סיבולת) לכתיבה, הקשיחות והשימוש המאוחד הם כל כך הרבה מעבר להישגי סוגי הזיכרון הקונבנציונליים כדוגמת זיכרון הבזק וזיכרון EEPROM, והוא מעמיד קריטריונים חדשים עבור יישומים מופעלים בסוללה, בקישור אלחוטי וכאלו המשמשים לאיסוף נתונים. הארכיטקטורה של MSP430 ב–16 סיביות, להספק נמוך ביותר ולביצועים גבוהים מתאימה באופן מושלם לשילוב עם זיכרון FRAM. זרמי ההמתנה הנמוכים שלה, זמני ההתעוררות המהירים שלה והליבה בעלת הביצועים הגבוהים משלימים היטב את היכולות של זיכרון FRAM. ובנוסף, טכנולוגיית זיכרון FRAM כבר הוכחה בשוק אפילו בסביבות קשיחות. זיכרון FRAM מיוצר כבר כמעט עשור על ידי Ramtron וטקסס אינסטרומנטס.
