Memoria flash fiable de alta densidad que permite arranque rápido para sistemas industriales y automotrices integrados

Los sistemas integrados en los mercados industrial, automotriz y de consumo necesitan una memoria no volátil que almacene el firmware, los datos de configuración, las preferencias del usuario y las credenciales de seguridad, incluso cuando se corta el suministro eléctrico. La memoria también debe configurarse de manera que permita al controlador empotrado un acceso fiable y rápido a los datos, sin dejar de ajustarse al espacio disponible en la placa de circuito impreso (PCB). Una vez desplegado, un paquete de memoria debe funcionar de forma segura en un amplio rango de temperaturas y cientos de miles de ciclos de lectura/escritura a lo largo de décadas.

La memoria NOR Flash se ha consolidado como un formato de memoria no volátil flexible y fiable, capaz de hacer frente a los retos que plantean los sistemas integrados. En este artículo se analizarán los tipos de memoria no volátil, las configuraciones de comunicaciones, los diseños de placas de circuito impreso y las consideraciones relativas a la fiabilidad a la hora de implementar memoria no volátil en sistemas integrados.

La memoria es importante

Dos de los formatos más comunes en los sistemas integrados modernos son NOR Flash y NAND Flash, cada uno nombrado así por su semejanza estructural con una puerta lógica. Las celdas de memoria NAND Flash están dispuestas en serie. Esta disposición permite mayores volúmenes de datos y mayores densidades de almacenamiento a un menor costo por bit. La memoria NAND Flash se encuentra a menudo en sistemas de infoentretenimiento para vehículos, donde puede almacenar música, navegación, gráficos y otros archivos intensivos en datos de forma eficiente en espacio y costo.

Gracias a la disposición en paralelo de las celdas de memoria, la memoria NOR Flash permite un acceso aleatorio más rápido a los datos almacenados. Es físicamente más grande que la NAND Flash y más costosa por bit, por lo que normalmente se elige para aplicaciones como el firmware, que requieren menos almacenamiento pero requieren mayor velocidad de acceso aleatorio.

Ese acceso aleatorio rápido significa que los sistemas integrados basados en NOR-Flash se inician y reaccionan rápidamente al entorno operativo. NOR Flash soporta operaciones de ejecución en el lugar (XIP), que permiten a los procesadores acceder directamente al código integrado desde memoria Flash no volátil.

NOR Flash también soporta sombreado de código, en el que el código y los datos se copian a la memoria de acceso aleatorio volátil (RAM). Sin embargo, XIP permite a los diseñadores ahorrar espacio en la placa y reducir costos asignando RAM solo a rutinas y datos de trabajo frecuentemente consultados, como variables, búferes y pilas.

¿La serie es para ganar velocidad?

La memoria NOR Flash más rápida se comunica mediante un bus paralelo. Por ejemplo, una memoria flash NOR paralela de 32 bits con una frecuencia de reloj de 100 MHz puede alcanzar hasta 3,2 Gb/s de rendimiento de datos. Sin embargo, la construcción en paralelo requiere un espacio y complejidad significativos en la PCB, y 80 MB/s es un rendimiento suficiente para la mayoría de los sistemas integrados.

La memoria Flash NOR de alta densidad de Integrated Silicon Solution, Inc. (ISSI) se basa en la interfaz periférica serial (SPI). La interfaz periférica en serie (SPI), habitual en la comunicación entre chips, se basa en cuatro señales —reloj, selección de chip, entrada de datos y salida de datos— para ofrecer una interfaz simplificada que reduce la complejidad de la placa y el número de pines.

La memoria flash SPI NOR de ISSI soporta una velocidad normal de lectura de 80 MHz, una tasa de transferencia dual (DTR) de hasta 104 MHz en la que se transmiten datos al inicio y al final de cada reloj, y un rendimiento de lectura rápida de hasta 166 MHz. Eso se traduce en un rendimiento de 166 Mb/s, un bit por reloj, para un solo SPI. El doble SPI convierte los pines de entrada y salida de datos en bidireccional, duplicando el rendimiento disponible a 332 Mb/s, mientras que el cuádruple SPI entrega 664 Mb/s, o 83 MB/s.

La interfaz periférica cuádruple (QPI), otra capacidad disponible en algunos productos NOR Flash, convierte dos pines adicionales en canales bidireccionales para transmitir información y datos del protocolo, reduciendo la carga de instrucciones. En modo QPI, NOR Flash soporta XIP y las PCB más pequeñas y menos complejas que habilita XIP.

Planificación de placas de circuito impreso

El espacio que ocupan los chips NOR Flash, con interfaz periférica en serie (SPI), en las placas de circuito impreso no es solo una cuestión de tamaño del encapsulado o de espacio. En lugar de los más de 40 pines necesarios para el flash NOR paralelo, cada uno con una pista de PCB separada y creativamente enrutada, muchas aplicaciones integradas pueden usar SPI NOR Flash de ocho a dieciséis pines, simplificando la disposición de las PCB y minimizando las capas de placa.

Los chips NOR de interfaz periférica en serie (SPI) Flash, pertenecientes a la serie IS25xP de ISSI, están disponibles en tres configuraciones, lo que permite a los ingenieros elegir la que mejor se adapte al diseño de su placa de circuito impreso, al proceso de fabricación y a los requisitos de la aplicación. Un paquete de contorno pequeño (SOP), también conocido como chip integrado de contorno pequeño (SOIC), es una configuración común para el flash SPI NOR en sistemas integrados, desde controles industriales hasta controladores de motor de automóviles y módulos de control de carrocería. Los cables externos que se extienden desde dos lados del paquete (Figura 1) pueden soldarse a mano y ser fácilmente inspeccionados.

Figura 1: La memoria flash NOR de ISSI está disponible como un SOP de 16 pines con densidades de memoria de 512 Mbit y 1 Gbit. (Fuente de la imagen: ISSI)

Los chips NOR Flash SOP de ISSI tienen una altura de 2,65 mm y una superficie cuadrada de 10,31 mm, incluyendo los pines, con un cuerpo de 7,50 mm de ancho. Los ingenieros pueden elegir un chip que funcione a 1,8 V o a 3 V y que tenga la densidad de memoria deseada: 512 Mbit o 1 Gbit. Además de la facilidad de ensamblaje que la hace útil para prototipos y placas de desarrollo, la SOP NOR Flash se elige para sistemas integrados críticos debido a su costo relativamente bajo y a su largo historial de fiabilidad.

Los encapsulados muy delgados, de contorno pequeño, sin conductor (WSON) tienen un perfil más bajo y son más compactos que los chips SOP. Los chips WSON de la serie IS25xP (figura 2) miden 0,75 mm de altura por 6 mm por 8 mm.

Figura 2: La serie IS25xP NOR Flash está disponible en un paquete WSON de 0,75 mm de altura, compatible con QPI y con una densidad de memoria de 512 Mbit a 1,8 V o 3 V. (Fuente de la imagen: ISSI)

Los paquetes compactos WSON NOR Flash tienen baja inductancia parásita porque sus contactos eléctricos coinciden con los contactos de la PCB justo debajo de los bordes del chip. Los ingenieros deben sopesar esto frente al reto que plantean las juntas ocultas soldadas con estaño, que requieren una línea de producción automatizada y dificultan la inspección y las correcciones posteriores.

El paquete WSON puede almacenar hasta 512 Mbits de datos. Comunes en aplicaciones IoT y portátiles, los paquetes WSON SPI NI Flash suelen elegirse para aplicaciones como módulos de sensores y cámaras o para unidades de control electrónicas (ECU) donde el espacio es limitado.

En el caso de aplicaciones con firmware complejo que requiere un uso intensivo de memoria, puede ser necesario utilizar memoria NOR de alta densidad Flash en un encapsulado TFBGA (matriz de malla de bolas de paso fino y delgada). Los paquetes TFBGA de esta serie se presentan en forma de rectángulos de 6 mm x 8 mm con una altura máxima de 1,2 mm (Figura 3).

Figura 3: Los encapsulados TFBGA en la serie IS25xP de chips NOR Flash de ISISSI son de 6 mm x 8 mm x 1,2 mm. Soportan hasta 2 Gbit de memoria en funcionamiento a 3 V. (Fuente de la imagen: ISSI)

Los paquetes TFBGA permiten realizar muchas conexiones en un espacio compacto manteniendo baja la inductancia parásito. La serie IS25xP también admite densidades de memoria de hasta 2 Gbit. La mejora en el rendimiento eléctrico y de memoria ha llevado a los ingenieros a elegir TFBGA NOR Flash para sistemas de infoentretenimiento automotriz, cuadros de instrumentos digitales, controladores de dominio y equipos de red, a pesar de los requisitos más caros de soldadura automatizada e inspección por rayos X.

Implementar fiabilidad

Ya sea que una aplicación necesite un SOP NOR Flash fácil de implementar o un TFBGA de alta densidad, los sistemas integrados requieren un alto grado de fiabilidad. NOR Flash ofrece una tecnología consolidada con una excelente retención de datos. Por ejemplo, los chips NOR Flash de ISSI pueden manejar más de 100.000 ciclos de Borrado/Programa y conservar datos durante más de 20 años. Los chips también cuentan con características de seguridad como protección contra escritura por software y hardware, así como protección avanzada de sectores y bloques para garantizar que los sistemas integrados sean a prueba de manipulaciones y puedan funcionar según su diseño.

Los chips Flash NOR de alta densidad también deben ofrecer fiabilidad física. Todos los chips de la serie IS25xP están diseñados para funcionar a temperaturas comprendidas entre -40 °C y +105 °C, mientras que los chips A3 pueden soportar temperaturas de hasta +12 5°C. Los chips de la serie IS25xP también soportan el funcionamiento de bajo consumo preferido para aplicaciones automotrices y móviles. Consumen 16 mA durante la lectura activa, 24 μA durante la espera y tan solo 2 μA en modo de apagado profundo.

Conclusión

La fiabilidad, la capacidad de alta densidad, la velocidad de acceso aleatorio y la eficiencia en cuanto a espacio y costos han convertido a la interfaz periférica en serie (SPI) NOR Flash en la opción destacada de los ingenieros que diseñan sistemas integrados con un uso intensivo de firmware y software. La escalabilidad, seguridad y rendimiento de lectura rápida de esta memoria no volátil la hacen adecuada para aplicaciones industriales, automotrices, IoT y móviles, donde los usuarios dependen de arranques rápidos del sistema y persistencia de datos.