Bild: Mouser Electronics

Implementierung von Cloudlets Neue Speicher für Echtzeitanwendungen

23.10.2018

Eine Reihe von modernen Technologien ändert den Entwurf von eingebetteten Echtzeitsystemen von Grund auf. Zu diesen Technologien zählen das Internet der Dinge (IoT), künstliche Intelligenz (KI) und Augmented Reality (AR). Sie alle haben eines gemeinsam: Sie nutzen zunehmend verteilte Systeme und erfordern angesichts der Datenmenge eine hohe Rechenleistung.

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Aufgrund unterschiedlicher Anforderungen erfordern Echtzeitsysteme, die auf solchen Technologien basieren, differenzierte Entwicklungsansätze. Edge-Geräte wie IoT-Sensorknoten und Gateways erfordern einen möglichst stromsparenden Betrieb. Doch nicht nur in diesem Bereich ist Energieeffizienz wichtig.

Neben der Bereitstellung von leistungsstarker Grafik und schneller Reaktion auf Bewegung müssen auch AR-gestützte Systeme, wie Head-up-Displays für Maschinenbediener, so viel Energie wie möglich sparen, um die Lebensdauer von Batterien zu optimieren und zu verhindern, dass Head-Mounted Displays zu warm werden. Und auch vielseitig einsetzbare Roboter auf Basis von KI müssen ohne ständigen Stromanschluss auskommen.

Lösungsansatz: Cloudlets

Durch verteilte Verarbeitung kann intensive Rechenarbeit in die Cloud ausgelagert werden, um die eingebetteten Systeme zu entlasten. Für Reaktionen in Echtzeit sind jedoch geringe Latenzen erforderlich. Anwendungen wie Bewegungssteuerung und AR werden durch lange Verzögerungen zwischen Eingabe und Reaktion beeinträchtigt. Eine mögliche Lösung ist die Implementierung von Edge-Computing-Servern oder Cloudlets – effizienten Server-Blades, die sich selbst relativ nah am Edge-Gerät befinden.

Um Echtzeitanwendungen zu unterstützen, können solche Cloudlets innovative Speichertechnologien nutzen und die Echtzeitanforderungen ihrer Clients besser erfüllen als traditionelle Server-Designs. In der Vergangenheit mussten Ingenieure bei der Integration von großen Speichern in Echtzeit-Computersysteme zwangsläufig zwischen Leistung und Persistenz wählen. Für die Speicherung großer Mengen von Daten in der Nähe des Prozessors ist DRAM zwar kosteneffektiv, bietet jedoch nur eine flüchtige Speicherung. Um sicherzustellen, dass Daten nicht verloren gehen, zum Beispiel aufgrund von Unterbrechungen der Stromversorgung, was in Edge-Knoten leicht vorkommen kann, müssen Daten häufig in persistente Speicher kopiert werden, deren Zugriffszeiten oft sehr viel länger sind.

Einsatz überlegener Speicher

Der Umstieg von rotierenden Laufwerken auf Flash-Speicher für größere Anwendungen hat die Lesezugriffszeiten bereits enorm verbessert. Doch Flash-Speicher bringen weiterhin Schwächen in Bezug auf die Schreibleistung mit sich. Das Löschen und Neuschreiben von Daten von und auf Flash-Speicher, erfordert mehrere Zyklen, in denen Hochspannungsimpulse an die Zielspeicherzellen gesendet werden. Das ist sowohl mit Zeit- als auch Energieaufwand verbunden, was Systementwickler möglichst vermeiden möchten.

Speichertechnologien der nächsten Generation sind die Flash-Speichern in Bezug auf Schreibzeiten und Energieanforderungen überlegen. Zu diesen Technologien zählen ferroelektrische Speicher, Phase Change Memory (PCM), Magnetic Random-Access Memory (MRAM) und Resistive Random-Access Memory (ReRAM). Ingenieure können Geräte auf Basis dieser Technologien in neuartigen Speicherhierarchien einsetzen, um die Kosten zu optimieren, die Ausfallsicherheit zu steigern und Echtzeitreaktionen zu verbessern.

Das Material ist entscheidend

PCM wurde bereits in den 1970ern als Speichertechnologie eingeführt und nutzt die gleichen Chalcogenidmaterialien wie wiederbeschreibbare optische Laufwerke. Eine nützliche Eigenschaft der Chalkogenide ist ihre Reaktion auf Wärme. Hochstromimpulse schmelzen das Material, und wenn es schnell abgekühlt wird, geht es in einen resistiven amorphen Zustand über. Dieser amorphe Zustand kann mit einer geringen Menge an Wärme in eine kristalline Form mit sehr viel höherer Leitfähigkeit umgewandelt werden. Auf Basis dieser Änderung der Eigenschaften können Ausleseschaltungen die Widerstands-Differenz zwischen Zellen in Form von Einsen und Nullen interpretieren.

In Bezug auf den Wechsel zwischen hochohmigem und niederohmigem Zustand weist ReRAM das gleiche Verhalten wie PCM auf, nutzt jedoch andere Materialien. In der Regel entstehen durch die Ionenbewegung innerhalb der Zelle unter dem Einfluss von Stromimpulsen leitende Fasern. Reset-Impulse unterbrechen diese Fasern und erhöhen so den Widerstand erheblich. Ein Vorteil von ReRAM ist die Vielzahl an möglichen Materialien. So können Hersteller Speicherlösungen mit unterschiedlich starker Ausfallsicherheit und unterschiedlichen Speicherzeiten produzieren.

Struktur moderner Speichertechnologien

Obwohl diese Speicher Stromimpulse verwenden, ist die erforderliche Gesamtladung zur Programmierung einer Zelle sehr viel niedriger als bei Flash-Speichern. In modernen Speichern benötigt ReRAM weniger Energie zum Schreiben als PCM. Die Schreibzeiten beider Technologien sind jedoch vergleichbar. PCM ist ausfallsicherer als ReRAM. Zudem ist PCM bereits weiter entwickelt. Experten sind der Meinung, dass sowohl PCM als auch ReRAM auf lange Sicht besser skalierbar sind als Flash-Speicher und diese früher oder später vollständig ablösen werden.

Ferroelektrische Speicher und MRAM basieren auf den Spin-Eigenschaften von Elektronen. Der Spin kann mit sehr wenig Energie durch eine Spin-Ventil-Struktur gesteuert werden – ähnlich wie in hochdichten Leseköpfen magnetischer Festplatten. Bei MRAM besteht dieses Spin-Ventil aus Materialschichten in einem Durchgang zwischen zwei metallischen Verbindungsleitungen auf der Oberfläche eines integrierten Schaltkreises (IC). Das Ventil ändert den Widerstand des Durchgangs auf Basis der Spin-Zustände der verschiedenen Materialien.

Diese ferroelektrischen Speicher sind bereits seit mehreren Jahrzehnten verfügbar, jedoch in geringeren Dichten als für die widerstandsbasierten Speicher vorgesehen. Ferroelektrische Speicher erfordern sowohl einen Kondensator als auch einen Transistor auf der Wafer-Basisschicht. Alle anderen Speichertechnologien nutzen die metallischen Verbindungsschichten und können für eine höhere Integration gestapelt werden.

Energieeffizienz mit ferroelektrischen Speichern

Ein wichtiger Vorteil ferroelektrischer Speicher liegt in der Verwendung von Materialien, die bei einem angelegten elektrischen Feld in zwei verschiedene Richtungen polarisieren. Diese Polarisierung erfordert sogar noch weniger Energie als MRAM. Ferroelektrische Speicher eignen sich damit für äußerst energieeffiziente Systeme.

All die neuen Speichertechnologien teilen ein potenzielles Problem: Sie bieten weniger Kosteneffizienz und Dichte als Flash-Speicher, die mittlerweile auch in 3D-Ausführung produziert werden. In der Praxis stellt die Dichte weder für Cloudlets noch für Edge-Geräte ein großes Problem dar, da diese Speicher als Grundlage für persistente Caches dienen können.

Permanent vs. persistent

Dank den energiesparenden Eigenschaften und den kurzen Schreibzeiten der neuen Speicher können Anwendungen wichtige Daten in den persistenten Cache kopieren. Datenobjekte, die permanent gespeichert werden müssen, können von dort auf Flash- oder Festplattenspeicher übertragen werden. Es ist jedoch nicht mehr nötig, Daten kontinuierlich auf Flash-Speicher oder Festplatten zu übertragen, nur um sicherzustellen, dass wichtige, aber kurzlebige Daten nicht verloren gehen.

Wenn das System neu gestartet wird, kann es seinen Zustand durch das Kombinieren von Daten in den permanenten und persistenten Arrays wiederherstellen. Aufgrund sinkender Kosten und steigender Leistung werden MRAM, PCM oder ReRAM nach und nach DRAM ersetzen und so eine Architektur schaffen, in der nur die Caches auf dem Prozessor über eine flüchtige Speicherarchitektur verfügen, wie SRAM.

Batterie wird nicht mehr benötigt

Persistente Speichertechnologien sind nicht auf Cloudlets und Hochleistungssysteme beschränkt. Die Verwendung ferroelektrischer Speicher in der Mikrocontroller-Produktreihe MSP430 von Texas Instruments zeigt, dass sie auch in IoT-Edge-Knoten wie Sensoren zum Einsatz kommen. Viele IoT-Anwendungen stützen sich neben einem integrierten Akku zumindest teilweise auf Energy Harvesting. Einige verzichten sogar vollständig auf eine Batterie.

Das Problem von Energy Harvesting liegt in der Zuverlässigkeit. In einigen Fällen, wie der Aufnahme von Schwingungsenergie bei viel genutzten Industriemaschinen, ist die Energiequelle berechenbar. Doch oft kann das System selbst bei Einsatz eines Superkondensators als Energiereservoir kurzzeitig über zu wenig Energie verfügen und muss gegebenenfalls abgeschaltet werden. Wenn genug externe Energie bereitsteht, kann es den normalen Betrieb wieder aufnehmen.

Daten vor Ausfällen schützen

Dank der ferroelektrischen Technologie kann der Mikrocontroller gewährleisten, dass Daten auch bei unerwarteten Energieausfällen dauerhaft gespeichert werden – ohne zusätzlichen Energieaufwand und auch bei häufigen Schreibvorgängen.

Anwendungsbereiche wie das Internet of Things, Künstliche Intelligenz und Augmented Reality verändern die Architektur von Echtzeitsystemen. Innovative Speichertechnologien können diesen neuen Anforderungen jedoch entsprechend gerecht werden. So bilden MRAM, PCM, ReRAM und ferroelektrische Speicher die Grundlage für die Entwicklung kosteneffizienter und reaktionsstarker Systemdesigns.

Bildergalerie

  • Für die Mikrocontroller der MSP430-Reihe werden ferroelektrische Speicher verwendet.

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