אורך חיים של מוצר NOR Flash בצפיפות נמוכה ביישומים מוטמעים

מערכות עצמאיות קטנות ומוטמעות, למשל שערים חשמליים, מקדחות חשמליות, ציוד של קו ייצור ומערכות ניתוח רפואיות, מכילות בדרך כלל מיקרו-בקר (MCU) בנפח 8 סיביות או 16 סיביות שמוקף באוסף של מעגלים אנלוגיים משולבי חיישנים (IC) ICs של ממשקי תצוגה ותקשורת, ובמקרים מסוימים ICs של SRAM, EEPROM ו-NOR Flash שאינם כלולים במיקרו-בקר שנבחר (ראו איור 1). יצרני ציוד הקצה מרוצים מאוד כשמוצרים תעשייתיים או רפואיים אלה ממשיכים להישלח לשוק במשך 20 שנה ואף יותר. כשספק IC מכריז על סיום חיים (EOL) שנגרם בשל מעבר לצומת עיבוד חדש, הדבר בדרך כלל טורף מחדש את הקלפים עבור יצרני מערכות אלה, גורם להפניית משאבים הנדסיים ומוסיף הוצאות בלתי צפויות לתוכנות קיימות. ICs של NOR Flash (בדרך כלל, כל שנדרש במוצרים אלה הוא 1 עד 8 מגה-ביט) הם חלקים עם אורך חיים גבוה במיוחד. הדבר קורה מכיוון שחלקים ממשפחת NOR Flash בצפיפות גבוהה יותר (256 מגה-ביט עד 1 ג’יגה-ביט ויותר) מניעים את ההחלטות העסקיות של ספקי הזיכרונות, כך שיש דחיפה מתמדת לתהליכים גאומטריים קטנים יותר ולמחזורי חיי מוצר קצרים יותר. מאמר זה דן בבעיית אורך החיים של NOR Flash ובפתרון של Microchip Technology.

התחזית לזיכרון בצפיפות נמוכה

ספקי NOR Flash מובילים מתמקדים כרגע בחלקי זיכרון בעלי רווחיות גבוהה, בכמות גבוהה ובצפיפות גבוהה. על כל חברה מוטלת האחריות להתמקד בחוזקות שלה על מנת שתוכל למקסם את רווחיה תוך שהיא מביאה ללקוחותיה את הערך הגבוה ביותר בעלות הנמוכה ביותר. בארבעת העשורים של NOR Flash, פירוש הדבר שספקי הזיכרון ששרדו נדרשו לנטוש את המוצרים בצפיפות נמוכה אותם ייצרו בעבר. כאשר היצע צפיפות הקצה העליונה נע כלפי מעלה, כמה שנים מאוחר יותר, היצע צפיפות הקצה התחתון ביותר מסיים את חייו והקצה התחתון עולה גם הוא כלפי מעלה. עבור ספקי מערכות מוטמעות עם אורך חיים של 20 שנה, הפרעות IC אלה עשויות לכלול בנוסף לגרסה חדשה לחלק של הספק הנוכחי, אף מעבר לספק חדש.

אחד הפתרונות לבעיה כואבת זו הוא תכנון מערכת שמוכנה לעתיד, באמצעות שימוש ב-NOR Flash IC בנפח 128 מגה-ביט כדי להחזיק 4 מגה-ביט של קוד תכנות למשתמש. ברור שגישה זו יכולה ליצור חוסר יעילות בצריכת החשמל ובעלות המערכת הכוללת. פיתרון נוסף הוא שימוש בספק זיכרון NOR Flash לא מסורתי שלו סיבות עסקיות אחרות לספק את אותו מוצר זיכרון למשך 20 שנים ויותר. ייתכן שספק זה לא נהנה מיתרונות של גודל נפח הזיכרון כך שיוכל להציע את נקודת העלות הנוכחית הנמוכה ביותר במועד הצעת המחיר הראשונה, אך לאורך זמן, כאשר בוחנים את עלויות ההתחדשות האפשריות ואת המשאבים ההנדסיים האבודים לביצוע דרישות אלו, זהו ככל הנראה מענה בעלות נמוכה בהרבה לבעיית אספקה זו.

Microchip זיהתה את המצב המתפתח הזה לפני שנים מכיוון שהוא משפיע על בסיס לקוחות רחב. ההשפעה השלילית של מגמת צפיפות זו על תוכניות עסקיות ויעדים עסקיים חייבה אותנו לחשב מסלול מחדש. התוצאה היא ספקית IC לא מסורתית של זיכרון NOR Flash המציעה SRAM IC סדרתיים, EEPROM IC סדרתיים, וכן מוצרי IC בעלי חיישנים “סיבות עסקיות אחרות” אלה מספקות את המוטיבציה להמשיך לספק ICs של NOR Flash בצפיפות נמוכה כל עוד הלקוחות זקוקים להם. כמו כן, יש לשים לב שהשאיפות של מוצרי זיכרון אלה נעצרות כיום מעל צפיפויות של 64 מגה-ביט, כך שספקי זיכרון ממוקדים ימשיכו לספק מוצרים ב-20 השנים הקרובות והלאה.

איור 1 הוא ייצוג של סוגי המערכות הנדונות: מיקרו-בקר שמוקף בחלקי מעגלים משולבים אחרים כדי להעניק ליישום המוטמע חיים ומטרה. בדוגמה זו, NOR Flash בנפח של 8 מגה-ביט [מודגש] מכיל כמה תמונות תצוגה שונות שמשותפות באמצעות ה-IC של פלט תצוגת מסך המגע בכל פעם שקוד התוכנית (מוטמע במיקרו-בקר במקרה זה) מבקש זאת. המאפיינים העיקריים של זיכרון IC פלאש חיצוני זה הם 1) 8 מגה-ביט, 2) ממשק SPI סטנדרטי, 3) זרם נמוך בהמתנה, 4) זרם נמוך בכתיבה, 5) שטח קטן ו-6) זמינות לייצור למשך 20 שנה.

איור 1. מיקומו של המיקרו-בקר בליבה של מערכת משובצת דורש כמה טכנולוגיות IC אחרות, כולל NOR Flash, עבור יישומים ספציפיים.

טבלה 1 היא השוואה בין שני הפתרונות המוצעים: IC של NOR Flash בנפח 128 מגה-ביט כדי להבטיח חסינות בעתיד ו-NOR Flash בנפח 8 מגה-ביט עם זמינות לטווח ארוך מספק זיכרון שאינו מסורתי. אין ספק ש-IC של NOR Flash בנפח 8 מגה-ביט עונה בצורה הטובה ביותר על דרישות היישום המוטמע.

טבלה 1. ל- IC של NOR Flash בנפח 128 מגה-ביט יתרונות ברורים לעומת-IC של NOR Flash בנפח 8 מגה-ביט.

שיפור  NOR Flash C8 מגה-ביט  NOR Flash C128 מגה-ביט דרישה                  
V V דורש 8 מגה-ביט
V V ממשק SPI סטנדרטי
1/3 פחות מקסימום 30 uA 45 -55 uA זרם נמוך בהמתנה
¼ פחות 25 mA 30 -35 uA זרם כתיבה נמוך
69% פחות [איור 2] 12.2 mm^2 3.8 mm^2 אזור (חבילת WLCSP)
על פי אסטרטגיית המוצר של הספק IC בנפח 8 מגה-ביט עדיף אורך חיי המוצר

 

אורך חיים של מוצר NOR Flash בצפיפות נמוכה ביישומים מוטמעים

כפי שהוסבר, בעוד ש-NOR Flash בצפיפות נמוכה עשוי שלא להתאים לתוכניות או לאסטרטגיה של ספקי NOR Flash גדולים, אך זוהי התאמה מצוינת להיצע המוצרים של המוטמעים החברה ולאסטרטגיה לגישת מערכות. לדוגמא, בבית טיפוסי יהיו בקלות כמה עשרות מערכות מוטמעות עם MCUs בנפח 8 סיביות, 16 סיביות ואפילו 32 סיביות. מרבית המערכות הללו אינן דורשות כמות גדולה של קוד כאשר ה-NOR Flash מספק לרוב קוד תכנית, נתוני כיול, פרמטרים לכיול, יומני אירועים ועוד.

למרות שמערכות MCU רבות מגיעות עם פלאש מובנה לכיסוי פעולות אלה, ישנם מצבים, כמו באיור 1, שבו שימוש ב-NOR Flash חיצוני הגיוני יותר עבור חלק מהמשימות הללו. הסיבות הנפוצות שניתנו הן העלות הכוללת של עץ המוצר של המערכת (BOM) לעומת גדלי FLASH המוצעים של המיקרו-בקר, אי-התאמה בין תפקודי המיקרו-בקר לבין גדלי ה-FLASH המוטבעים, זמן ריצוף מהיר יותר עבור ערכות בדיקה במהלך ייצור בקו, באירועי ריפלש של המערכת עבור שדרוגים בשטח ועוד.

בנוסף, ספירת שערים נמוכה יותר ממעגלים משולבים ספציפיים ליישומים (ASIC) כגון מערכי שער לתכנות בשטח (FPGA) והתקני לוגיקה מתוכנתים מורכבים (CPLD) עושים שימוש ב-NOR Flash קטן לצורך תכנות בתוך היישום, קוד אתחול ופעולה שמבוצעת במקום (XIP). ICs זיכרון פלאש IC של NOR Flash מושלמים עבור יישומי XIP שמציעים צריכת חשמל נמוכה בהמתנה ונגישים ישירות באמצעות ממשק סדרתי סטנדרטי כגון SPI.

ניתן להשיג בחבילות בעלות 8 פינים, כגון 8-lead SOIC ו-WDFN בעל 8 מגעים (6 מ”מ x 5 מ”מ), התקני זיכרון NOR Flash בצפיפות נמוכה יעילים מאוד גם כן. עבור יישומים עם שטח מוגבל בלוח, כגון מברשת שיניים חשמלית, חבילת Wafer Level Chip Scale (WLCSP) מספקת חיסכון מקום משמעותי עבור החבילה (כמעט 69%) כפי שמוצג באיור 2.

איור 2. ההבדל בגודל האריזה עבור 8 מגה-ביט לעומת חבילת Wafer Level Chip Scale בנפח של 128 מגה-ביט יכול להיות משמעותי למדי, במיוחד אם השטח מצומצם.

זמני אתחול מהירים פי 1000

אף על פי ש-Microchip היא ספקית זיכרונות לא מסורתית, היא מייצר זיכרונות FLASH רבים. מדי שנה נשלחים מיליארדי מיקרו-בקרים הכוללים Flash. כמו כן, לזיכרון Flash יש יתרון טכני ואסטרטגי משמעותי המכונה טכנולוגיית SuperFlash®. תאי זיכרון Flash אלה בנויים כדי ספק את זמני המחיקה המהירים ביותר בתעשייה עם זמני מחיקה מהירים פי 20 יותר לבלוקים ומחיקת שבב מלאה מהירה יותר פי 1000. בעוד שאתחול של NOR Flash אינו נפוץ בעולמם של ספקי זיכרון NOR Flash גדולים, הוא יכול להפוך ליתרון עצום במערכות מוטמעות קטנות בשל הורדת עלויות הייצור (אתחול תמונת הזיכרון בקו הייצור לשיפור כיסוי בדיקות המערכת), הדרישה להספק חשמל נמוך ומתן דרך מהירה לשדרוג מערכת שדה. אם נחזור להשוואה של 128 מגה-ביט לעיל, NOR Flash בנפח 128 מגה-ביט (ללא טכנולוגיית SuperFlash) הוא בעל זמן מחיקת בלוק מקסימלי של 0.7 עד 1 שניות. לעומת זאת, זמן מחיקת הבלוק המקסימלי של NOR Flash בנפח 8 מגה-ביט (עם שיפור SuperFlash) הוא 25 מאיות השניה בלבד (פי 30 מהר יותר). בנוסף לחיסכון בזמן, הפרש הספק החשמל למחיקה/כתיבה הוא ~800 מאיות השניה * 33 מילי-אמפר בכל מחיקת בלוק למחזור שכתוב.

הטמעת NOR Flash בעיצובים חדשים

כחברה המובילה לפתרונות בקרה מוטמעים חכמים, מחוברים ומאובטחים, ל-Microchip Technology יש נקודת מבט ייחודית על חלקים רבים של מערכות מטומעות ו-NOR flash הוא חלק בלתי נפרד מתובנה זו. כדי להוסיף מהימנות לעיצובים שיכולים להיות שיכולים להיות שימושיים לאורך עשרות שנים, יש לה נוהג קבוע להבטיח זמינות כל עוד הלקוחות זקוקים למוצרים חלופיים. בעוד שחלק מהספקים עשויים שלא לתמוך במוצרי זיכרון NOR Flash ואף מכריזים על סוף חיי המוצר, התחייבות זו יכולה להבטיח זמינות ליישומים בנפח בינוני, קטן ואפילו גדול. אורך חיים זה מבטיח שלקוחות יוכלו להשיג כל דבר לו המערכת המוטמעת זקוקה – כל עוד יש צורך בכך.

SuperFlash הוא סימן מסחרי רשום של Microchip Technology


מאת גרנט הולס, חטיבת מוצרי זיכרון, Microchip Technology

תגובות סגורות