Zuverlässiger NOR-Flash-Speicher für Embedded-Systeme gesucht!

Bild: iStock, bananahuman

Embedded-Speicher Langlebiger NOR-Flash-Speicher auf dem Prüfstand

23.03.2021

Einige Anbieter lassen NOR-Flash-Speicherprodukte direkt auslaufen und deklarieren sogar EOL. Warum die Langlebigkeit dieser Produkte ein Problem ist und wie ein Hersteller darauf reagiert.

Kleine eigenständige und eingebettete Systeme, wie Garagentoröffner, elektrische Bohrmaschinen, Fertigungsanlagen und medizinische Analysesysteme, enthalten in der Regel einen 8-Bit- oder 16-Bit-Mikrocontroller (MCU), der von einer Sammlung analoger und sensorischer integrierter Schaltkreise (ICs), Anzeige- und Kommunikationsschnittstellen-ICs und in einigen Fällen SRAM-, EEPROM- und NOR-Flash-ICs umgeben ist, die nicht im ausgewählten Mikrocontroller enthalten sind. Die Hersteller von Endgeräten sind am glücklichsten, wenn diese industriellen oder medizinischen Produkte noch 20 Jahre oder sogar länger auf dem Markt sind.

Wenn ein IC-Lieferant ein End-of-Life (EOL) ankündigt, das durch die Umstellung auf einen neuen Prozessknoten verursacht wird, kommt es für diese Systemhersteller typischerweise zu einem Requalifizierungs-Wirrwarr, das Entwicklungsressourcen ablenkt und unerwartete Ausgaben für bestehende Programme verursacht. NOR-Flash-ICs (typischerweise ist 1 bis 8 Mbit alles, was in diesen Produkten benötigt wird) sind ein besonders belastendes Bauteil für die Langlebigkeit. Das liegt daran, dass die Mitglieder der NOR-Flash-Familie mit größerer Dichte (256 Mbit bis 1 Gbit+) die Geschäftsentscheidungen der Speicherhersteller vorantreiben, sodass ein ständiger Druck zu kleineren Geometrieprozessen und kürzeren Produktlebenszyklen besteht.

In diesem Artikel werden das Problem der Langlebigkeit von NOR-Flash-Hauptspeicher und die dedizierten Lösung von Microchip erörtert.

Speicher mit geringer Dichte

Führende NOR-Flash-Anbieter konzentrieren sich zu Recht auf ihre margenstarken, hochvolumigen Speicherteile mit hoher Dichte. Jedes Unternehmen hat die Verantwortung, sich auf seine Stärken zu konzentrieren, um den Gewinn zu maximieren und gleichzeitig seinen Kunden den größten Wert und die niedrigsten Kostenpunkte zu bieten.

In den vier Jahrzehnten von NOR-Flash bedeutete dies, dass die überlebenden Speicherlieferanten ihre Produkte mit geringerer Dichte aus den vergangenen Jahren hinter sich lassen mussten. Während das Angebot am oberen Ende der Dichte nach oben geht, wird ein paar Jahre später das Angebot am unteren Ende der Dichte EOL’ed, und das untere Ende geht ebenfalls nach oben. Für Anbieter von Embedded-Systemen mit einer Produktlebensdauer von 20 Jahren können diese IC-Unterbrechungen nicht nur eine neue Version des Teils des aktuellen Anbieters, sondern auch einen neuen Anbieter bedeuten.

Eine Lösung für dieses schmerzhafte Problem besteht darin, das Systemdesign „zukunftssicher“ zu machen, indem ein 128-Mbit-NOR-Flash-IC verwendet wird, um 4 Mbit des Benutzerprogrammiercodes zu speichern. Dieser Ansatz kann eindeutig zu Ineffizienzen beim Stromverbrauch und den Gesamtsystemkosten führen.

Eine andere Lösung ist die Verwendung eines nicht-traditionellen NOR-Flash-Speicherlieferanten, der andere geschäftliche Gründe hat, das gleiche Speicherprodukt für 20+ Jahre zu liefern. Dieser Anbieter hat vielleicht nicht die Größenvorteile beim Speichervolumen, um zum Zeitpunkt des ersten Preisangebots die niedrigsten aktuellen Kosten zu bieten, aber im Laufe der Zeit, wenn man die wahrscheinlichen Requalifizierungskosten und die verlorenen Entwicklungsressourcen für diese Requalifizierungen berücksichtigt, ist er höchstwahrscheinlich eine viel kostengünstigere Lösung für dieses Lieferproblem.

NOR-Flash-Speicher-Anwendungen

Microchip hat diese sich entwickelnde Situation schon vor Jahren erkannt, da sie sich auf eine breite Embedded-Kundenbasis auswirkt. Die negativen Auswirkungen dieses Dichte-Trends auf Geschäftspläne und Geschäftsziele erforderten eine strategische Kurskorrektur.

Das Ergebnis ist ein nicht-traditioneller NOR-Flash-Speicher-IC-Lieferant, der auch serielle SRAM-ICs, serielle EEPROM-ICs, Analog- und Sensor-ICs anbietet. Diese „anderen geschäftlichen Gründe“ liefern die Motivation, NOR-Flash-ICs mit geringer Dichte so lange zu liefern, wie die Kunden sie benötigen. Außerdem ist zu beachten, dass diese Speicherprodukt-Ambitionen derzeit oberhalb von 64-Mbit-Dichten aufhören, wo fokussierte Speicherlieferanten noch für die nächsten 20 oder mehr Jahre Produkte liefern werden.

Auf der ersten Abbildung ist eine Darstellung der besprochenen Systemtypen zu sehen: ein Mikrocontroller, umgeben von anderen integrierten Schaltkreisen, die der eingebetteten Anwendung Leben und Zweck verleihen. In diesem Beispiel enthält das 8-Mbit-NOR-Flash [hervorgehoben] einige verschiedene Display-Bilder, die über den Touchscreen-Display-Ausgabe-IC freigegeben werden, wann immer der eingebettete Programmcode dies erfordert. Die wichtigsten Merkmale dieses externen NOR-Flash-Speicher-ICs sind:

  • 8 Mbit

  • Standard-SPI-Schnittstelle

  • niedriger Standby-Strom

  • niedriger Schreibstrom

  • kleine Fläche

  • seit 20 Jahren in der Produktion verfügbar

NOR-Flash mit geringer Dichte

Wie bereits erläutert, passt Low-Density-NOR-Flash vielleicht nicht in die Pläne oder Strategie der großen NOR-Flash-Anbieter, aber es passt hervorragend in das Produktangebot und die Strategie eines Embedded-Unternehmens für einen Systemansatz. Ein typischer Haushalt hat zum Beispiel leicht mehrere Dutzend Embedded-Systeme mit 8-Bit-, 16-Bit- oder sogar 32-Bit-MCUs. Die meisten dieser Systeme benötigen keine große Menge an Code, wobei das NOR-Flash oft Programmcode, Kalibrierungsdaten, Kalibrierungsparameter, Ereignisprotokolle bereitstellt.

Obwohl viele MCUs mit eingebautem Flash ausgestattet sind, um diese Aufgaben abzudecken, gibt es Situationen, in denen externes NOR-Flash für einige dieser Aufgaben sinnvoller ist. Häufige Gründe sind der Kostenkompromiss zwischen der Gesamtsystem-Stückliste (BOM) und den angebotenen Mikrocontroller-Flash-Größen, die Fehlanpassung von Mikrocontroller-Funktionen im Vergleich zu eingebetteten Flash-Größen, die schnellere Reflash-Zeit für Testsätze während der Linienfertigung oder systeminterne Reflash-Ereignisse für Feld-Upgrades.

NOR-Flash in der Praxis

Darüber hinaus verwenden anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (ASICs) mit geringerer Gatterzahl wie FPGAs (Field-Programmable Gate Arrays) und CPLDs (Complex Programmable Logic Devices) kleine NOR-Flash-Speicher für die In-Application-Programmierung, den Boot-Code und den Execute-in-Place-Betrieb (XIP). NOR-Flash-Speicher-ICs eignen sich perfekt für XIP-Anwendungen, da sie einen geringen Standby-Stromverbrauch haben und über eine serielle Standardschnittstelle wie SPI direkt ansprechbar sind.

Erhältlich in 8-Pin-Gehäusen, wie zum Beispiel einem achtpoligen SOIC und einem achtpoligen WDFN (6 mm x 5 mm), sind NOR-Flash-Speicherbausteine mit geringer Dichte auch sehr boardeffizient. Für Anwendungen mit begrenztem Platz auf der Leiterplatte, wie etwa eine elektrische Zahnbürste, bietet ein Wafer Level Chip Scale Package (WLCSP) eine erhebliche Platzersparnis von fast 69 Prozent.

Schnellere ReFlash-Zeiten

Obwohl Microchip ein nicht-traditioneller Speicherlieferant ist, stellt das Unternehmen eine Menge Flash-Speicher her. Jedes Jahr werden Milliarden von Mikrocontrollern ausgeliefert, die Flash enthalten.

Außerdem besteht ein erheblicher technischer und strategischer Vorteil in einem Flash-Speicher, der als SuperFlash-Technologie bezeichnet wird. Diese Flash-Speicherzellen sind so strukturiert, dass sie die branchenweit schnellsten Löschzeiten bieten, wobei die Blocklöschzeiten 20-mal schneller und die Löschzeiten für den gesamten Chip 1.000-mal schneller sind.

Während das Reflashen eines NOR-Flash-Speichers in der Welt der großen NOR-Flash-Speicherlieferanten nicht üblich ist, kann es in kleinen Embedded-Systemen zu einem großen Vorteil werden, da es die Herstellungskosten senkt und eine stromsparende und schnelle Möglichkeit zur Aufrüstung eines Feldsystems bietet. Um auf den obigen 128-Mbit-Vergleich zurückzukommen: Ein 128-Mbit-NOR-Flash (ohne SuperFlash) hat eine typische maximale Blocklöschzeit von 0,7 bis einer Sekunde. Im Gegensatz dazu hat das 8-Mbit-NOR-Flash (mit SuperFlash-Erweiterung) eine maximale Block-Löschzeit von nur 25 ms.

Daraus ergibt sich im Vergleich dieser beiden Speicherlösungen ein Performancegewinn von bis zu Faktor 30. Zusätzlich zur der möglichen Zeitersparnis beträgt der Stromunterschied zwischen Löschen und Wiederbeschreiben zirka 800 ms ⋅ 33 mA bei jedem Block-Löschen für einen Wiederbeschreibungszyklus.

NOR-Flash-Designs einbetten

Als Unternehmen für intelligente, vernetzte und sichere Embedded-Steuerungslösungen hat Microchip eine Perspektive auf viele Bereiche von Embedded-Systemen, und NOR-Flash ist ein integraler Bestandteil dieses Einblicks. Um Vertrauen in Designs zu schaffen, die eine Nutzungsdauer von Dutzenden von Jahren haben können, ist es gängige Praxis, die Verfügbarkeit so lange zu gewährleisten, wie Kunden Ersatzprodukte benötigen. Diese Langlebigkeit stellt sicher, dass Kunden das bekommen, was sie brauchen.

Bildergalerie

  • Mit dem Mikrocontroller als Herzstück eines Embedded-Systems werden verschiedene andere IC-Technologien, einschließlich NOR-Flash, benötigt.

    Bild: Microchip

  • Ein 128-Mbit-NOR-Flash-IC im Vergleich zu einem 8-Mbit-NOR-Flash-IC zeigt deutliche Vorteile.

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  • Beim Vergleich zwischen 128-Mbit- und 8-Mbit-NOR-Flash-IC wird deutlich, dass Letzterer die Anforderungen der Embedded-Anwendung am besten erfüllt.

    Bild: Microchip

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