MRAM을 사용하여 에지 컴퓨팅의 신뢰성을 향상하고 대기 시간을 낮추며 전력을 줄이는 방법

산업용 사물 인터넷(IIoT), 로봇 공학, 의료용 장치, 웨어러블, 인공 지능, 자동차 및 휴대용 설계와 같은 응용 분야 전반에서 에지 컴퓨팅의 사용이 늘고 있습니다. 이와 더불어 프로그램 스토리지 및 데이터 백업과 같은 용도로 사용되는 고속, 짧은 대기시간, 비휘발성, 저전력, 저비용 메모리의 필요성도 증가하고 있습니다. SRAM(Static Random Access Memory), DRAM(Dynamic RAM), 플래시 및 EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory) 등 이용 가능한 옵션은 많지만, 이러한 기술은 널리 사용되기 때문에 하나 이상의 영역에서 트레이드 오프가 필요하므로 에지 컴퓨팅에 적합하지 않습니다.

대신 설계자는 MRAM(Magnetoresistive Random access memory)을 고려할 수 있습니다. MRAM 소자는 이름에서 알 수 있듯이 자기 기억 소자에 데이터를 저장하고 임의 액세스를 제공하여 메모리에서 읽기와 쓰기가 모두 무작위로 일어나도록 합니다. 이러한 구조와 작동으로 짧은 대기 시간, 저누설, 높은 쓰기 주기 수 및 높은 보존 시간이 특징이며, 이런 특징은 모두 에지 컴퓨팅에 매우 적합합니다.

이 기사에서는 EEPROM, SRAM 및 플래시를 비롯한 일반적인 메모리 기술과 MRAM의 성능 기능을 간단히 비교합니다. 그리고 여러 에지 컴퓨팅 응용 분야에서 MRAM을 사용할 때의 이점을 검토한 다음 Renesas Electronics의 특정 MRAM 소자, MRAM 사용 관련 유용한 정보 및 설계자가 설계를 시작하는 데 도움이 되는 평가 플랫폼을 소개합니다.

메모리 기술 비교

에지 컴퓨팅 응용 분야 설계자가 선택할 수 있는 몇 가지 메모리 기술이 있고, 기술마다 성능 기능과 트레이드 오프가 다릅니다(그림 1). DRAM은 주로 소프트웨어 실행 중 다양한 프로세서 유형에 필요한 작업 메모리를 제공합니다. SRAM과 비교해 저렴하고 상대적으로 느리며 상당한 양의 전력을 소비하고 전력이 공급되는 동안만 데이터를 유지합니다. 또한 DRAM 메모리 셀은 방사선에 의해 손상될 수 있습니다.

SRAM은 DRAM보다 빠르고 더 비싸며 주로 프로세서의 캐시 메모리로 사용됩니다(반면 DRAM은 주 메모리로 사용됨). 여기에서 설명하는 메모리 중 전력을 가장 많이 소모하며 DRAM과 마찬가지로 휘발성 메모리입니다. SRAM 셀은 방사선에 의해 손상될 수 있으며 DRAM과 SRAM 모두 내구성이 우수합니다.

EEPROM은 외부 인가 전압을 사용하여 데이터를 지우는 비휘발성 메모리입니다. EEPROM은 느리고 내구성이 떨어지며(일반적으로 최대 100만 주기) 비교적 많은 전력을 소모합니다. 현재 EEPROM은 여기서 설명하는 메모리 기술 중 가장 적게 사용됩니다.

플래시는 EEPROM의 변형으로 저장 용량이 상당히 더 크고 읽기/쓰기 속도가 더 빠르지만 여전히 비교적 느립니다. 플래시는 저렴하며 전원이 꺼진 상태에서도 데이터가 최대 10년간 유지됩니다. 그러나 플래시는 다른 메모리 유형보다 사용하기가 복잡합니다. 데이터는 블록 단위로 읽어야 하며 바이트 단위로는 읽을 수 없습니다. 또한 다시 쓰려면 먼저 셀을 지워야 합니다. 지우기는 개별 바이트 단위가 아니라 블록 단위로 수행해야 합니다.

MRAM 자체는 실질적인 임의 액세스 메모리로, 메모리에서 읽기와 쓰기가 모두 무작위로 일어나도록 할 수 있습니다. 또한 MRAM은 대기 상태에서 누설이 0이며 10¹⁶회의 쓰기 주기를 견딜 수 있을 뿐 아니라 데이터 보존 능력이 85°C에서 20년 이상입니다. 현재 4Mbit ~ 16Mbit의 밀도로 제공됩니다.

MRAM 기술은 SRAM 호환 읽기/쓰기 타이밍을 사용하는 플래시 기술로 볼 수 있습니다(MRAM을 영구 SRAM(P-SRAM)이라고도 함). MRAM은 이러한 특성 때문에 데이터를 저장하고 검색할 때 대기 시간을 최소로 유지해야 하는 응용 분야에 특히 적합합니다. 이처럼 낮은 대기 시간과 저전력, 무한 내구성, 확장성 및 비휘발성을 함께 제공합니다. MRAM은 본질적으로 알파 입자에 내성이 있어서 방사선에 자주 노출되는 장치에도 적합합니다.

그림 1: MRAM은 플래시 및 EEPROM과 같이 비휘발성이며 SRAM 호환 읽기/쓰기 타이밍을 사용합니다. (이미지 출처: Renesas Electronics)

MRAM 작동 방식

이름에서 알 수 있듯이 MRAM의 데이터는 자기 기억 소자에 저장됩니다. 해당 소자는 두 개의 강자성 플레이트로 구성되며, 각 플레이트는 자기를 띨 수 있고 얇은 절연층으로 분리되어 있습니다. 이 구조를 자기 터널 접합(MTJ)이라고 합니다. 두 플레이트 중 하나는 제조 과정에서 특정 극성으로 설정된 영구 자석이며, 다른 플레이트의 자기를 변경하여 데이터를 저장할 수 있습니다. Renesas Electronics에서는 수직 자기 터널 접합(p-MTJ)을 기반으로 하는 독점적인 회전 전달 토크 MRAM(STT-MRAM)을 사용하는 MRAM 소자를 최근에 추가했습니다. p-MTJ에는 변경 불가능한 고정 자기층, 유전체 장벽층 및 변경 가능한 강자성 저장층이 포함됩니다(그림 2).

그림 2: STT-MRAM의 기본 셀은 MTJ 하나와 액세스 트랜지스터 하나로 구성됩니다. (이미지 출처: Avalanche Technology)

프로그래밍 작업 중 저장층의 자기 방향은 p-MTJ 소자를 통과하는 전류 방향에 따라 평행 상태(낮은 저항 상태 "0")에서 역평행 상태(높은 저항 상태 "1")로 또는 반대 방향으로 전기적으로 전환됩니다. 이러한 두 가지 고유한 저항 상태를 사용하여 데이터를 저장하고 감지합니다.

MRAM 사용 사례

데이터 로깅, IoT 노드의 메모리, 에지 컴퓨팅 장치의 기계 학습/인공 지능, 병원의 RFID 태그가 MRAM 사용 사례의 예입니다.

데이터 로거는 장기간의 데이터 누적을 위해 다수의 메가비트의 비휘발성 메모리가 필요합니다. 일반적으로 배터리로 구동되지만 에너지 수확을 통해 전력을 얻을 수도 있으므로 저전력 메모리가 필요합니다. 전력 손실이 발생하는 경우 기록된 데이터를 무기한 보존해야 합니다. MRAM은 데이터 로거의 성능 요구를 충족합니다.

MRAM은 지속성과 더불어 매우 낮은 에너지 모드를 통해 IoT 노드의 코드와 데이터를 극히 작은 폼 팩터의 배터리 전원이나 에너지 수확기로 작동하기 위한 통합 메모리 솔루션을 가능하게 합니다(그림 3). 시동 시간은 IoT 노드에서 중요한 고려 사항인 경우가 많습니다. MRAM을 사용하여 코드 직접 실행(code-in-place) 구조를 구현하면 부팅에 필요한 시간을 줄일 수 있을 뿐 아니라 DRAM 또는 SRAM이 덜 필요하므로 전체 부품 명세서(BOM) 비용도 줄일 수 있습니다.

그림 3: MRAM의 속도, 내구성 및 데이터 보존 기능은 IoT 노드의 메모리 요구 사항을 충족하는 데 도움이 됩니다. (이미지 출처: Avalanche Technology)

또한 MRAM에서 제공하는 지속성을 통해 장치를 절전 해제할 때마다 추론 알고리즘을 다시 로드할 필요가 없는 기계 학습이 가능한 차세대 IoT 노드를 지원할 수 있습니다. 로컬 처리에는 센서 데이터 분석과 의사 결정, 그리고 때로는 노드 재구성도 포함됩니다. 이처럼 국소화된 인텔리전스에는 저전력 영구 메모리가 필요합니다. 이러한 장치에서는 로컬에서의 대략적인 추론을 실시간으로 구현할 수 있고 고급 분석을 위해 클라우드를 사용할 수 있습니다.

MRAM의 속도는 전사적 자원 관리(ERP) 시스템, 제조 실행 시스템(MES), 감시 회로 제어 및 데이터 수집(SCADA) 시스템과 같은 에지 장치에서 기계 학습을 구현하는 데 유용합니다. 이러한 시스템에서는 데이터를 분석하고 중간 패턴을 식별하여 인접 도메인과 공유합니다. 에지 아키텍처를 구현하려면 처리 속도와 영구 메모리가 필요합니다.

설계자는 무선 주파수 식별(RFID)이 도움이 될 수 있는 의료용 장치에도 MRAM을 적용할 수 있습니다. 전력 소모가 적을 뿐 아니라 방사선에 내성이 있으므로 병원 환경에 적합합니다. 병원에서 RFID 태그는 재고 관리, 환자 진료 및 안전, 의료 장비 식별, 소모품 식별 및 모니터링 등 다양한 이유로 사용됩니다.

고성능 직렬 MRAM 메모리

산업 제어 및 자동화, 의료용 장치, 웨어러블, 네트워크 시스템, 스토리지/RAID, 자동차 및 로봇 공학을 포함한 에지 컴퓨팅 시스템의 설계자는 Renesas의 M30082040054X0IWAY를 활용할 수 있습니다(그림 4). 제공되는 밀도는 4Mbit ~ 16Mbit입니다. Renesas의 MRAM 기술은 SRAM 호환 읽기/쓰기 타이밍을 사용하는 플래시 기술이라고 볼 수 있습니다. 데이터는 항상 비휘발성이며 쓰기 주기 내구성은 10¹⁶회, 보존 기간은 85°C에서 20년 이상입니다.

M30082040054X0IWAY는 직렬 주변 소자 인터페이스(SPI)를 사용하므로 소프트웨어 장치 드라이버가 필요하지 않습니다. SPI는 데이터와 클록에 별도의 라인을 사용하여 호스트와 슬레이브를 완전한 동기화 상태로 유지할 수 있는 동기식 직렬 인터페이스입니다. 클록을 통해 수신기는 데이터 회선에서 비트를 샘플링할 시기를 정확히 알 수 있습니다. 해당 시기는 클록 신호의 상승(낮음-높음), 하강(높음-낮음) 또는 양쪽 가장자리일 수 있습니다.

그림 4: M30082040054X0IWAY는 하드웨어 및 소프트웨어 기반 데이터 보호 체계를 모두 제공합니다. 하드웨어 보호는 WP# 핀을 통해 이루어집니다. 소프트웨어 보호는 상태 레지스터의 구성 비트로 제어합니다. 두 체계 모두 레지스터와 메모리 어레이에 쓰기를 금지합니다. (이미지 출처: Renesas)

M30082040054X0IWAY는 명령어마다 읽기 또는 쓰기 명령을 로드하지 않고도 일련의 읽기 및 쓰기 명령어를 완료할 수 있는 XIP(eXecute-In-Place)를 지원합니다. 따라서 XIP 모드는 명령 오버헤드를 줄이고 임의 읽기 및 쓰기 액세스 시간을 줄입니다.

M30082040054X0IWAY는 하드웨어 및 소프트웨어 기반 데이터 보호 체계를 모두 제공합니다. 하드웨어 보호는 WP# 핀을 통해 이루어집니다. 소프트웨어 보호는 상태 레지스터의 구성 비트로 제어합니다. 두 체계 모두 레지스터와 메모리 어레이에 쓰기를 금지합니다. 주 메모리 어레이와 별개로 256바이트의 증강 스토리지 어레이(Augmented Storage Array)를 사용합니다. 사용자가 프로그래밍할 수 있으며 쓰기 보호를 통해 실수로 쓰는 경우를 방지할 수 있습니다.

저전력 응용 분야를 더 잘 지원하기 위해 M30082040054X0IWAY는 최대 전력 차단(Deep Power Down) 및 최대 절전(Hibernate)의 두 가지 저전력 상태를 제공합니다. 장치가 이 두 가지 저전력 상태인 동안에는 데이터가 손실되지 않습니다. 또한 장치에서 모든 구성을 유지할 수 있습니다.

해당 장치는 실장 면적이 작은 8패드 DFN(WSON) 및 8핀 SOIC 패키지로 제공됩니다. 이러한 패키지는 유사한 저전력 휘발성 및 비휘발성 제품과 호환됩니다. 제공되는 작동 온도 범위는 산업용(-40°C ~ 85°C)과 산업용 플러스(-40°C ~ 105°C)입니다.

MRAM 사용

MRAM은 다른 메모리 기술과 비교해 전체 에너지 소비를 크게 줄일 수 있습니다. 그러나 에너지 절감의 정도는 특정 응용 분야 설계의 사용 패턴에 따라 달라질 수 있습니다. 다른 비휘발성 메모리와 마찬가지로 쓰기 전류가 읽기 또는 대기 전류보다 훨씬 높습니다. 따라서 전력이 중요한 응용 분야, 특히 메모리에 자주 써야 하는 설계에서는 쓰기 시간을 최소화해야 합니다. MRAM은 쓰기 시간이 짧으므로 이러한 고려 사항을 해결하고 EEPROM 또는 플래시와 같은 다른 비휘발성 메모리 옵션보다 에너지 소비를 줄일 수 있습니다.

MRAM에서 전력 게이팅 시스템 아키텍처를 사용하여 메모리를 최대한 자주 대기 상태로 두면 에너지를 추가로 절약할 수 있습니다. MRAM은 시동에서 쓰기까지 시간이 빠르므로 다른 비휘발성 메모리보다 더 자주 MRAM을 대기 모드로 전환할 수 있습니다. 대기 상태에서 MRAM의 누설이 0인 점도 도움이 됩니다. 전력 게이팅을 적용할 때 시동 에너지 요구를 지원하기 위해 더 큰 감결합 커패시터가 필요한 경우가 많다는 점도 유념하십시오.

MRAM 평가 기판

설계자가 M30082040054X0IWAY로 시작하는 데 도움을 주기 위해 Renesas는 M3016-EVK 평가 키트를 제공합니다. 이 키트는 16Mbit MRAM을 포함하고 있으며 인기 있는 Arduino 기판을 사용하여 대화형 하드웨어 솔루션을 개발하는 데 활용할 수 있습니다(그림 5). 이 플러그 앤 플레이 키트에는 Arduino 호스트 기판 및 PC 컴퓨터 USB 인터페이스와 통신하는 터미널 에뮬레이터 소프트웨어가 포함되어 있습니다. 평가 기판은 UNO R3 헤더를 통해 Arduino UNO 호스트 기판 위에 실장됩니다. 제공된 테스트 프로그램을 사용하면 MRAM 소자의 기능을 빠르게 평가할 수 있습니다.

그림 5 : M3016-EVK 평가 키트를 Arduino UNO 호스트 기판 위에 실장하여 MRAM 성능을 빠르게 평가할 수 있습니다. (이미지 출처: Renesas)

결론

DRAM, SRAM, 플래시 및 EEPROM과 같은 기존 메모리 기술을 사용하여 에지 컴퓨팅 장치를 설계하면 다양한 트레이트 오프가 필요해서 성능이 제한될 수 있습니다. 에지 컴퓨팅을 위해 설계자는 최근에 도입된 MRAM을 고려할 수 있습니다. MRAM은 실질적인 임의 액세스를 제공하여 메모리에서 읽기와 쓰기 모두 무작위로 일어나도록 할 수 있습니다.

앞에서 살펴본 바와 같이 MRAM은 큰 대기 시간 없이 데이터를 저장하고 검색해야 하는 장치, 대기 상태에서 누설 0을 통한 전력 소비 절감, 쓰기 주기 10¹⁶회의 내구성과 85°C에서 20년 이상인 데이터 보존 기능 등을 비롯한 에지 컴퓨팅의 메모리 요구 사항을 지원합니다.

추천 자료

1. 에지 컴퓨팅을 사용하는 지능형 보안 시스템