내장형 메모리의 기본 사항: EEPROM, FRAM, eMMC 및 SD 카드 비교

메모리는 모든 마이크로 컨트롤러 기반 내장형 시스템의 주요 요소입니다. 예를 들어 개발자는 모든 휘발성 변수를 보유하고, 버퍼를 생성하고, 다양한 응용 제품 스택을 관리하는 데 충분한 RAM이 필요합니다. 내장형 시스템에서 RAM이 중요한 것처럼 개발자는 응용 제품 코드, 비휘발성 데이터 및 구성 정보를 저장할 수 있는 장소도 필요합니다.

문제는 비휘발성 메모리 기술 옵션이 확대되면서 응용 제품에 적합한 메모리를 결정하는 데 어려움이 있다는 것입니다.

이 기사에서는 다양한 기술을 소개합니다. 그런 다음 ON Semiconductor, Adesto Technologies, Renesas, ISSI, Cypress Semiconductor, Advantech, GigaDevice Semiconductor, Silicon Motion과 같은 제조업체를 예로 들어 개발자가 각 메모리 유형의 특성을 이해할 수 있도록 도와줍니다. 또한 개발자가 메모리를 효과적으로 사용할 수 있도록 각 메모리를 적용하는 데 가장 적합한 위치를 설명합니다.

내장형 시스템의 EEPROM 및 FRAM

내장형 시스템에 가장 일반적으로 고려되는 메모리 장치는 EEPROM입니다. 이 장치는 내장형 응용 제품의 시스템 구성 파라미터를 저장하는 데 주로 사용되는 비휘발성 메모리입니다. 예를 들어 네트워크에 연결되는 장치(예: CAN 버스)는 EEPROM에 CAN ID를 저장할 수 있습니다.

EEPROM에는 내장형 시스템 개발자의 좋은 선택지가 될 수 있는 다양한 특성이 있습니다.

• 작은 물리적 실장 면적
• 상대적으로 경제적인 가격
• 100Kbits/s ~ 1000Kbits/s의 일반 비트 전송률
• 표준화된 전기 인터페이스
• 일반적으로 I²C 및 SPI 인터페이스 지원

DigiKey 웹 사이트에서 EEPROM에 대해 빠른 검색을 수행하면 9개 EEPROM 벤더와 5,800종 이상의 EEPROM이 표시됩니다. 예를 들어 ON Semiconductor의 CAT24C32WI-GT3는 32Kbit(4Kbyte) EEPROM 장치로서, I²C 버스에 최대 1MHz 속도로 연결될 수 있는 8핀 SOIC 패키지로 제공됩니다(그림 1).

그림 1: CAT24C32WI-GT3는 I²C 또는 SPI 포트를 통해 마이크로 컨트롤러에 연결하여 구성 및 응용 제품 데이터를 저장할 수 있는 ON Semiconductor의 1Kbit EEPROM입니다. (이미지 출처: ON Semiconductor)

흥미롭게도 EEPROM가 실제 마이크로 컨트롤러에 포함되는 경우도 있습니다. 예를 들어 Renesas의 R7FS128783A01CFM#AA1 32비트 마이크로 컨트롤러에는 개발자가 사용할 수 있는 4Kbytes 기판 실장 EEPROM이 있습니다.

여기서는 구성 요구 사항이 4Kbytes 이내라고 가정합니다. 그렇지 않은 경우 개발자는 외장형 장치를 사용하거나 마이크로 컨트롤러의 플래시 메모리를 사용하여 추가 EEPROM을 에뮬레이션할 수 있습니다.

EEPROM은 인기에도 불구하고 몇 가지 잠재적인 단점이 있습니다.

• 일반적인 1,000,000 지우기/쓰기 주기 제한
• 약 500ns 쓰기 주기
• 셀에 쓰기 위해 여러 명령어 필요
• 10년 이상 데이터 보존(최근에는 100년 이상이 더 일반적)
• 방사선 민감도 및 높은 작동 온도

EEPROM은 많은 응용 분야에서 좋은 성능을 보이지만, 자동차, 의료, 우주 시스템 산업과 같은 높은 신뢰성이 요구되는 응용 분야에서는 개발자가 FRAM과 같은 더 강력한 메모리 솔루션을 원하게 됩니다.

FRAM은 “ferroelectric random access memory”의 약어이며 EEPROM 메모리에 비해 다양한 이점을 제공합니다.

• 더 빠름(쓰기 주기: 50ns 미만)
• 더 많은 쓰기 주기(1조 회 이상, EEPROM의 경우 100만 회)
• 낮은 전력(작동 전압 1.5V)
• 높은 방사선 내성

FRAM은 EEPROM과 비슷한 메모리 크기로 제공됩니다. 예를 들어 Cypress Semiconductor의 FRAM 제품군은 메모리 크기 범위가 4Kbits ~ 4Mbits입니다. FM25L16B-GTR은 16Kbits(그림 2) 크기에, 8핀 SOIC 패키지로 제공되며 최대 20MHz에서 작동할 수 있습니다.

그림 2: Cypress FRAM 제품군은 SPI를 통해 마이크로 컨트롤러에 연결하여 구성 및 응용 제품 데이터를 저장할 수 있는 4Kbits ~ 4Mbits 이내의 다양한 메모리 크기를 호스팅합니다. FM25L16B-GTR(그림)은 최대 20MHz에서 작동합니다. (이미지 출처: Cypress Semiconductor)

위쪽 끝에 있는 Cypress Semiconductor의 CY15B104Q-LHXIT는 4Mbits이며 최대 40MHz의 인터페이스 속도를 지원합니다(그림 3). 이 FRAM 메모리는 다음과 같은 몇 가지 흥미 있는 기능이 있습니다.

• 151년간 데이터 보존
• 100조 회 읽기/쓰기 주기
• 직렬 플래시 및 EEPROM 직접 대체

짐작하겠지만 FRAM은 EEPROM보다 더 비싸므로, 응용 분야에 적합한 메모리를 선택할 때 장치를 사용할 환경 요인을 신중하게 고려해야 합니다.

그림 3: CY15B104Q-LHXIT는 최대 40MHz에서 작동하는 4Mbit 장치이며, 범위가 4Kbits ~ 4Mbits인 Cypress FRAM 제품군의 일부입니다. (이미지 출처: Cypress Semiconductor)

내장형 시스템의 플래시, eMMC 및 SD 카드

내장형 시스템의 플래시 메모리는 다양한 용도로 사용할 수 있습니다. 첫째, 응용 제품 코드에 사용 가능한 메모리를 늘리기 위해 외장형 플래시를 사용하여 내장형 플래시 메모리를 확장할 수 있습니다. 이 경우 일반적으로 GigaDevice Semiconductor의 GD25Q80CTIGR과 같은 SPI 플래시 모듈을 사용합니다(그림 4). GD25Q80CTIGR를 사용하여 내장형 메모리를 8Mbits 확장할 수 있습니다. 이때 마이크로 컨트롤러가 SPI 인터페이스를 통해 이 장치를 지원할 수 있다고 가정합니다.

그림 4: GigaDevice Semiconductor Limited의 GD25Q80CTIR 플래시 메모리를 사용하여 SPI 포트를 통해 내장형 플래시 공간을 8Mbits 확장할 수 있습니다. (이미지 출처: GigaDevice Semiconductor Limited)

둘째, EEPROM 또는 FRAM 대신 외장형 플래시를 사용하여 구성 정보 또는 응용 제품 데이터를 저장할 수 있습니다. BOM 비용을 절감하거나 응용 제품에서 저장되는 데이터에 대해 내장형 메모리 성능을 강화하기 위해 외장형 플래시 칩을 대신 사용할 수 있습니다. 이 외장형 플래시를 포함하도록 마이크로 컨트롤러 주변 장치 및 메모리 맵을 구성하여 개발자가 EEPROM 또는 FRAM에 연결하는 데 필요한 드라이버에 대한 별도의 맞춤형 호출 없이 외장형 플래시에 쉽게 액세스할 수 있도록 해줍니다.

이러한 용도로 사용되는 외장형 플래시 장치의 예로는 Adesto Technologies의 AT25SF161이 있습니다(그림 5). 이 장치에서는 대기 중인 SPI(QSPI) 인터페이스를 사용합니다. QSPI는 시스템에 대해 더 많은 데이터를 처리할 수 있도록 해주는 일반 SPI 프로토콜에 대한 확장입니다. 이 장치는 단일 트랜잭션 중에 많은 양의 데이터를 저장하거나 검색해야 하는 개발자에게 매우 유용합니다.

QSPI는 QSPI 주변 장치에서 CPU 간섭을 제거하고 표준 4핀(MOSI, MISO, CLK, CS)에서 6핀(CLK, CS, IO0, IO1, IO2, IO3)으로 인터페이스를 변경하여 작동합니다. 그러면 입력과 출력에 4핀(기존 SPI의 경우 2핀)을 사용할 수 있습니다.

그림 5: Adesto Technologies AT25SF161 외장형 플래시 메모리 장치를 사용하여 내장형 플래시를 확장할 수 있습니다. 이 장치에는 빠른 데이터 저장 및 검색을 위해 QSPI 인터페이스가 탑재되어 있습니다. (이미지 출처: Adesto Technologies)

마지막으로, 플래시를 사용하여 응용 제품 데이터 및 페이로드 정보를 저장할 수 있습니다. 예를 들어 GPS 시스템은 모든 GPS 맵을 프로세서에 로컬로 저장하려고 시도하지 않고 SD 카드 또는 eMMC 장치와 같은 외장형 메모리 스토리지 장치를 사용합니다. 외장형 메모리 장치를 효과적으로 연결하는 전용 SDIO 인터페이스 또는 SPI를 통해 이러한 스토리지 미디어를 마이크로 컨트롤러에 연결할 수 있습니다.

예를 들어 ISSI의 IS21ES04G-JCLI eMMC를 마이크로 컨트롤러의 SDIO 인터페이스에 직접 연결하여 32Gbits 플래시 스토리지를 장치에 추가할 수 있습니다(그림 6).

그림 6: ISSI eMMC 플래시 모듈에는 SPI 또는 SDIO를 통해 호스트에 연결할 수 있는 32Gbits 메모리가 있습니다. (이미지 출처: ISSI)

전기 인터페이스의 관점에서 SD 카드와 eMMC 장치는 동일합니다. 다시 말해서 두 장치는 서로 다른 패키지로 제공되지만 장치를 마이크로 컨트롤러에 연결하는 데 사용되는 동일한 일반 핀이 있습니다. 그럼에도 불구하고 두 메모리 유형은 서로 완전히 다를 수 있습니다. SD 카드에 비해 eMMC는 일반적으로 다음과 같은 차이점이 있습니다.

• 더 강력하고 물리적 손상 가능성이 낮음
• 더 빠른 상호 작용
• 더 높은 가격
• 기판에 납땜 처리되어 분리할 수 없음

사용자가 메모리를 분리할 필요가 없는 경우 최종 응용 제품에 따라 eMMC를 사용하면 더 강력한 솔루션이 제공될 수 있습니다. 모든 메모리가 동일하게 제작되지 않으므로 어느 경우든 개발자는 메모리를 신중하게 선택해야 합니다.

예를 들어 서브 시스템을 자동차에 배치할 경우 표준 플래시 장치보다 더 높은 표준에 따라 메모리를 신뢰할 수 있는지 검증하고 인증받아야 할 수 있습니다. 이 경우 개발자는 Silicon Motion의 SM668GE4-AC 4Gbyte eMMC 모듈과 같은 자동차 인증 메모리를 알아봅니다.

SD 카드의 경우 eMMC와 마찬가지로 모든 SD 카드가 동일하게 제작되지 않으므로 개발자는 주의해서 구매해야 합니다. 개발자는 카드의 속도 클래스와 작동 온도를 주의해서 검사해야 합니다. 예를 들어 대부분의 SD 카드는 정격 온도가 0˚C ~ 70˚C로, 소비자 가전에 적합합니다.

또한 기대되는 최대 인터페이스 속도를 설명하는 속도 클래스가 각 카드에 연결되어 있습니다. 예를 들어 이미지를 저장하는 응용 제품을 위한 Class 2 등급 카드는 HD 비디오용으로 설계된 Class 10 등급 카드(예: Advantech SQF-MSDM1-4G-21C SQFlash 4 Gbyte microSD 카드)보다 느립니다.

그림 7: Advantech SQF-MSDM1-4G-21C SQFlash microSD 카드는 4Gbytes 메모리를 호스팅하고 고급 Class 10 속도 등급입니다. (이미지 출처: Advantech Corp)

메모리 선택을 위한 유용한 정보

내장형 제품에 적합한 메모리 유형 및 인터페이스를 선택하는 것은 까다로운 일입니다. 다음은 응용 제품에 적합한 메모리를 선택할 때 개발자가 고려해야 하는 “유용한 정보”입니다.

• 메모리에 대해 다음과 같은 작동 조건을 명확하게 식별합니다.
  • 지우기/쓰기 예상 주기
  • 환경 조건 및 요인(예: 온도, 진동, 방사선)
  • 데이터 로드 요구 사항
• 응용 제품에서 메모리를 성공적으로 사용하는 데 필요한 최소, 희망 및 최대 비트 전송률 문서화
• 문서화된 희망 비트 전송률에 가장 적합한 메모리 인터페이스 유형 선택
• 자동차 또는 우주 시스템과 같은 열악한 환경 조건에서는 자동차 등급 또는 방사선 내성이 뛰어난 메모리 선택
• 브레이크아웃 기판을 마이크로 컨트롤러 개발 키트에 통합하여 선택된 메모리 장치 테스트

이러한 유용한 정보에 따라 개발자는 내장형 응용 제품에 적합한 메모리를 선택할 수 있습니다.

결론

오늘날의 개발자는 응용 제품 코드, 구성 정보 등 광범위한 데이터를 저장하는 데 사용할 수 있는 다양한 비휘발성 메모리 장치 옵션이 있습니다. 그림과 같이 개발자는 응용 제품 요구 사항을 신중하게 평가한 다음 요구 사항과 비용을 고려하여 메모리 유형 및 인터페이스를 주의해서 선택해야 합니다.