F-RAM을 사용하여 초저전력 장기 스토리지로 배터리 구동식 장치 제작

데이터 스토리지의 장기적 안정성은 소비자 가전, 산업 및 기타 부문에 사용하도록 설계된 모바일 배터리 구동식 장치의 필수적인 요구 사항으로 등장했습니다. 이전 세대 제품에서는 플래시 메모리, EEPROM(전기적 삭제가 가능한 프로그래밍 가능 읽기 전용 메모리)과 같은 일반적 비휘발성 메모리(NVM) 기술로 이러한 필요 사항을 충족했습니다.

하지만 오늘날 고급 모바일 제품에서는 사용자가 계속해서 배터리 수명이 늘어나길 기대하기 때문에 설계 성능 또는 전력 예산에 영향을 주지 않으면서 안정적인 스토리지를 제공할 수 있는 옵션은 크게 제한됩니다.

이 기사에서는 Cypress Semiconductor Excelon F-RAM(강유전체 랜덤 액세스 메모리) 제품군을 소개하고 이 제품을 사용하여 배터리 구동식 장치의 안정적인 장기 스토리지 요구 사항을 충족할 수 있는 방법을 보여줍니다.

휴대용 장치의 스토리지 과제

웨어러블, IoT 장치 및 기타 휴대용 제품의 설계에서는 이러한 제품의 향상된 기능으로 인해 대규모 비휘발성 스토리지가 필요합니다. 더욱 포괄적인 정보를 원하는 사용자의 바람이 더 높은 분해능과 빠른 업데이트 속도로 작동하는 다양한 유형의 센서 설계에 통합되었습니다. 동시에 사용자는 이렇게 정교한 제품이 전류 센서 데이터에 대한 간단한 스냅샷 대신 기록 데이터와 추세를 포괄적으로 보여 줄 것으로 기대합니다. 특히, 클라우드, 스마트폰 또는 기타 외부 장치에 대한 연결을 활성화하지 않고도 필요 시 데이터 카탈로그를 생성할 수 있어야 합니다.

기존 NVM 기술로 이러한 기본 요구 사항을 충족하려는 경우, 설계자는 특히 전력이 제한된 설계에서 다양한 문제에 직면하게 됩니다. 프로그래밍 프로세스를 완료하는 데 필요한 확장된 주기로 인해 대부분의 NVM 기술은 본질적으로 RAM에 비해 쓰기 시간이 훨씬 느립니다. 기존 EEPROM의 경우 쓰기 작업에 몇 밀리초 정도 걸릴 수 있습니다. 고급 플래시 메모리에서도 쓰기 주기 중에 추가 "예비 시간"이 필요하여 성능이 느려집니다. 결과적으로 더 길어진 쓰기 주기로 인해 전체 전류 소비가 증가하고 데이터 업데이트 속도가 느려집니다. 마지막으로 기존 NVM 장치는 일반적으로 쓰기 내구성 사양을 제한합니다. 루틴 데이터 스토리지에 필요한 반복된 쓰기 주기에 사용될 경우 제품 수명 주기 내에 장치가 마모될 수 있습니다.

증가하는 배터리 구동식 설계 어레이를 위해 F-RAM NVM 장치는 속도, 내구성, 저전력 작동을 필요에 맞게 조합하는 더욱 단순화된 장기 저장 솔루션을 제공합니다. 일반 F-RAM 장치는 쓰기 내구성과 쓰기 주기 시간이 EEPROM 및 플래시 메모리보다 뛰어나고 속도 면에서는 SRAM(정적 RAM)에 필적합니다. 실제로 F-RAM은 기존 RAM의 성능 이점을 다른 NVM 기술의 비휘발성 스토리지 기능과 결합합니다. F-RAM 솔루션 중에 Cypress Semiconductor Excelon LP(저전력) F-FRAM 계열은 배터리 구동식 웨어러블 및 기타 모바일 제품의 초저전력 소비에 대한 기본 요구 사항을 충족하도록 기능을 개선했습니다.

초저전력 F-RAM

Cypress Excelon LP F-RAM 장치는 F-FRAM 어레이, 레지스터, 제어 및 인터페이스 논리와 최대 3회의 표준 리플로 납땜 주기 동안 콘텐츠를 유지하도록 고안된 특수 섹터를 결합하는 통합된 비휘발성 메모리 서브 시스템입니다(그림 1).

그림 1: Cypress Semiconductor Excelon LP F-RAM 장치는 F-RAM 어레이와 지원 회로망을 통합하여 표준 SPI 포트를 통해 액세스할 수 있는 완벽한 메모리 서브 시스템을 제공합니다. (이미지 출처: Cypress Semiconductor)

Excelon LP F-FRAM 장치는 일반 EEPROM 또는 플래시 메모리보다 장기적인 신뢰성이 훨씬 뛰어납니다. 이러한 장치는 10¹⁵ 읽기/쓰기 주기 및 151년 데이터 보존 내구성을 실현하여 실용적인 웨어러블 또는 IoT 장치의 실제 수명 주기를 초과합니다.

또한 이러한 장치의 쓰기 성능은 응용 제품의 전체 신뢰성을 개선합니다. 이러한 장치는 비휘발성 F-RAM 어레이에 버스 속도로 데이터를 쓰기 때문에 다른 유형의 NVM 장치에 비해 데이터 손실 가능성이 크게 감소합니다. 이러한 장치에서 약간 더 길어진 쓰기 주기와 해당 데이터 버퍼링으로 인해 쓰기 시퀀스가 완료되기 이전에 전원이 차단될 경우 데이터가 손실될 수 있는 취약성 기간이 길게 형성됩니다.

다른 NVM 기술과 달리 Excelon LP F-FRAM 장치는 휴대용 제품에서 배터리 수명을 연장하는 데 필요한 최소 전류 레벨로 작동합니다. 20MHz로 작동하는 Cypress CY15x108QI 8Mb F-RAM LP 계열은 1.3mA의 전류만 소비하고, Cypress CY15x104QI 4Mb F-RAM LP 계열은 1.2mA만 소비합니다. 또한 아래에 자세히 설명한 대로 이러한 장치는 개발자에게 전류 소비를 추가적으로 줄일 수 있는 다양한 옵션을 제공합니다.

광범위한 시스템 요구 사항을 지원하도록 고안된 Excelon LP 제품군은 상업용 및 산업용 온도 범위와 다양한 공급 전압에서 사용 가능합니다. 예를 들어 4Mb CY15V104QI 및 8Mb CY15V108QI는 1.71V ~ 1.89V 공급 전압 범위에서 작동하고, 4Mb CY15B104QI 및 8Mb CY15B108QI는 1.8V ~ 3.6V 공급 범위에서 작동하도록 고안되었습니다.

간단한 시스템 설계

이러한 장치는 다양한 응용 제품의 작동 요구 사항을 충족하면서 시스템 설계를 간소화합니다. 일반 설계에서 개발자는 직렬 주변 장치 인터페이스(SPI) 버스를 사용하여 하나 이상의 Excelon LP F-RAM 장치를 SPI 마스터(예: 마이크로 컨트롤러)에 SPI 슬레이브로 연결합니다(그림 2).

그림 2: 개발자는 하나 이상의 Cypress Semiconductor Excelon LP F-RAM 장치를 SPI 마스터(예: 마이크로 컨트롤러)에 의해 제어되는 SPI 버스에 간단히 연결하여 설계에 장기 스토리지를 추가할 수 있습니다. (이미지 출처: Cypress Semiconductor)

상호 연결된 SPI 버스를 통한 트랜잭션은 간단하고 빠릅니다. 메모리에 쓸 때 Excelon LP F-RAM 장치는 플래시 또는 EEPROM 기술에 대해 앞서 언급한 추가적인 쓰기 지연 없이 작동합니다. 대신, 각 바이트가 SPI 버스를 통해 장치에 도달하면 F-RAM 어레이에 즉시 기록되므로 갑작스러운 전원 차단으로 인한 데이터 손실 위험이 크게 감소합니다.

시스템 개발자의 경우 쓰기 프로세스는 산업 표준 SPI 연산 코드(opcode)를 포함하는 간단한 SPI 프로토콜을 따릅니다. 호스트 프로세서에서는 칩 선택(ØCS) 라인을 올렸다가 내리는 동안 WREN(Write-Enable) 연산 코드(06h)를 전송하여 각 쓰기 시퀀스를 시작합니다. 이 간략한 초기화 단계를 마친 후 호스트 프로세서는 쓰기 연산 코드(02h)와 24비트 주소를 차례로 전송하여 쓰기 작업을 시작합니다. 주소의 상위 4비트는 이러한 장치에서 무시되지만 향후 고밀도 F-RAM 장치와의 호환성을 보장합니다. 호스트 프로세서는 주소를 전송한 직후에 데이터 바이트 전송을 시작할 수 있습니다(그림 3).

그림 3: 표준 SPI 쓰기 시퀀스 중에 Cypress Semiconductor Excelon LP F-RAM 장치는 이전 NVM 기술과 관련한 버퍼 또는 예비 시간 지연 없이 F-RAM 어레이에 데이터를 즉시 기록합니다. (이미지 출처: Cypress Semiconductor)

호스트 프로세서에서 데이터 바이트를 전송할 때 호스트 프로세서에서 ØCS 라인을 낮게 유지하고 클록 신호를 지속적으로 전송한다면 F-RAM 장치에서는 주소를 내부적으로 자동으로 증가시킵니다. 따라서 설계자는 단일 바이트 쓰기와 블록 쓰기를 조합해야 하는 설계에서 Excelon LP F-RAM 장치를 사용할 수 있습니다.

읽기 작업에서는 비슷한 SPI 프로토콜을 따릅니다. ØCS를 내린 후 호스트 프로세서에서는 읽기 연산 코드(03h)와 24비트 주소를 전송합니다. Excelon LP F-RAM 장치에서는 각 SCK 클록 주기에 SO 라인의 데이터 바이트를 전송하여 즉시 응답합니다. 쓰기 작업과 마찬가지로 호스트 프로세서에서 ØCS를 낮게 유지하고 SCK 클록을 계속 실행할 경우 읽기 작업은 계속됩니다.

배터리 수명 연장

이러한 저전력 F-RAM은 설계 요구 사항이 간단할 뿐만 아니라, 개발자에게 전류 소비를 줄이고 배터리 수명을 연장할 수 있는 옵션을 제공합니다. 배터리 구동식 응용 제품을 위해 특별히 고안된 Cypress CY15x10xQI 장치는 내장된 유입 전류 제어 회로를 통합하여 NVM 장치를 켤 때 일반적으로 생성되는 상대적으로 큰 전류를 줄여줍니다.

또한 Cypress Excelon LP F-RAM 장치를 사용하면 개발자가 센서를 사용하여 상대적으로 느린 실제 이벤트 진행 상황을 추적하는 웨어러블 및 IoT 설계에서 다양한 전략에 따라 배터리 수명을 연장할 수 있습니다. 이러한 설계에서 Cypress Excelon LP F-RAM 장치는 일반적으로 전류 소비를 줄여주는 낮은 클록 주파수로 작동할 수 있습니다. 예를 들어 1MHz 클록으로 작동할 경우 8Mb CY15V108QI의 전류 소비는 1.3mA(20MHz에서 사용할 때)에서 300µA로 감소합니다. 마찬가지로 4Mb CY15V104QI의 경우 20MHz에서는 1.2mA가 필요하지만 1MHz에서는 200µA만 필요합니다.

Excelon LP F-RAM 장치에서 제공되는 특수 저전력 모드를 사용하면 개발자가 웨어러블 및 IoT 응용 제품에서 일상적으로 발생하는 다양한 유휴 기간 중에 시스템 전력 소비를 추가적으로 최소화할 수 있습니다. 이러한 F-RAM 장치에서는 세 가지 절전 모드를 지원하여 개발자가 전류 소비 감소를 위해 응답 시간을 조절할 수 있습니다.

ØCS가 상승하여 SPI 시퀀스가 종료될 때마다 장치는 첫 번째 저전력 모드인 대기 모드로 자동으로 전환됩니다. 반대로 ØCS가 내려가서 새로운 SPI 시퀀스가 시작되면 장치에서 대기 모드가 자동으로 종료됩니다. 대기 모드에서 8Mb CY15V108QI Excelon LP F-RAM은 3.5µA의 전류만 소비하고 4Mb CY15V104QI에는 2.3µA만 필요합니다.

대기 모드에서는 일반 활성 모드로 복귀하기 위한 추가 지연 없이 전류를 자동으로 즉시 줄입니다. 하지만 유휴 기간이 확장된 응용 제품에서는 이 전류 소비에도 장기간에 걸쳐 배터리 수명이 불필요하게 감소합니다. 이 경우 Excelon LP F-RAM 장치는 최대 전력 차단 모드와 최대 절전 모드라는 두 가지 저전력 모드를 추가로 제공합니다.

기본 대기 모드와 달리 최대 전력 차단 및 최대 절전 모드는 특수 SPI 연산 코드를 통해 명시적으로 전환됩니다. 읽기 및 쓰기 SPI 작업과 마찬가지로 SPI 마스터에서는 최대 전력 차단(DPD) 연산 코드(BAh) 또는 최대 절전(HBN) 연산 코드(B9h)를 실행하여 F-RAM 장치에 해당 저전력 모드로 전환하도록 명령합니다(그림 4).

그림 4: 개발자는 표준 SPI 프로토콜을 사용하여 Cypress Semiconductor Excelon LP F-RAM 장치를 최대 전력 차단(DPD) 또는 최대 절전 모드(HIB)로 전환할 수 있습니다. 그러면 전류 소비를 획기적으로 줄일 수 있지만 해당 저전력 모드를 시작(t_ENTxxx)하고 종료(t_EXTxxx)하기 위해 지연이 추가로 발생할 수 있습니다. (이미지 출처: Cypress Semiconductor)

전류 소비가 1µA 이하로 감소하므로 저전력 모드의 효과는 뛰어납니다(표 1). 이러한 모드에서는 장치 전류를 획기적으로 줄이지만 성능 저하로 인해 시간에 민감한 데이터 작업에 영향을 줄 수 있습니다. 연산 코드 기반 DPD 및 HIB 저전력 모드에서는 모드를 시작하는 데 필요한 시간(t_ENTDPD 또는 t_ENTHIB)과 모드를 종료하는 데 필요한 시간(t_EXTDPD 또는 t_EXTHIB)과 관련하여 추가적인 지연이 발생합니다(표 1 및 그림 4).

표 1: Excelon LP F-RAM 전력 모드의 전류 소비 및 연산 코드 기반 최대 전력 차단 및 최대 절전 모드를 시작(t_ENTDPD 또는 t_ENTHIB)하거나 종료(t_EXTDPD 또는 t_EXTHIB)하는 데 관련한 지연입니다. 수치는 1.71V ~ 1.89V 공급 범위와 0°C ~ +70°C 작동 온도 범위의 상업용 저전압 버전과 관련이 있습니다. (데이터 출처: Cypress Excelon LP F-RAM 규격서)

연산 코드 기반 저전력 모드를 사용할 경우 개발자는 이러한 모드의 낮은 전류 소비 이점을 모드를 시작하고 종료하는 데 필요한 소비 전류 및 시간과 조율해야 합니다. 유휴 기간이 긴 시스템에서 이러한 모드를 사용할 수 있지만 구체적인 모드 선택은 활성 기간 중에 F-RAM 장치를 작동하는 데 필요한 듀티 사이클에 따라 크게 달라집니다. 높은 듀티 사이클로 작동해야 하는 F-RAM 장치의 경우 저전력 모드를 반복적으로 시작하고 종료하는 데 발생하는 비용으로 인해 비생산적일 수 있습니다. 예를 들어, 유휴 기간이 10초 이상인 응용 제품에서는 최대 절전 모드를 활용하는 것이 유용합니다.

결론

배터리 구동식 웨어러블 및 IoT 장치에서 새롭게 등장하는 장기 데이터 저장 요구 사항으로 인해 개발자들은 기존 NVM 기술(예: EEPROM 및 플래시 메모리)과 관련된 성능 제한이 없는 저전력 소비 NVM 장치를 찾고 있습니다. F-RAM 기술의 고유한 속도와 신뢰성을 기반으로 구축된 Cypress Semiconductor Excelon 저전력(LP) F-RAM 장치는 본질적으로 낮은 전류 요구 사항을 전류 소비를 1µA 미만으로 낮출 수 있는 프로그래밍 가능한 저전력 모드와 결합합니다. Cypress Excelon LP F-FRAM을 사용하면 개발자가 기존 RAM의 속도와 150년 이상 데이터를 안정적으로 보존하는 기능을 제공하는 장기 데이터 스토리지로 배터리 구동식 설계를 신속하게 보완할 수 있습니다.