Sulautetut järjestelmät yleistyvät edelleen huimaa vauhtia. Useimmassa sovelluksissa tarvitaan vain melko pienikokoista NOR-tyyppistä flash-muistipiiriä. Muisteihin erikoistuneet isot valmistajat eivät kuitenkaan toimita enää pieniä muisteja, vaan keskittyvät suuriin, tiheisiin volyymipiireihin. Microchip sen sijaan on sitoutunut toimittamaan asiakkaille pieniä NOR-flasheja niin kauan kuin niitä tarvitaan, jopa yli 20 vuotta.

Itsenäisesti toimivat pienet sulautetut järjestelmät, kuten autotallin ovenavaajat, sähköporat, tuotantolinjojen laitteet ja lääketieteelliset analyysijärjestelmät, sisältävät tyypillisesti 8- tai 16-bittisen mikro-ohjaimen (MCU), jota ympäröi kokoelma analogisia IC-piirejä, anturipiirejä, näyttö- ja tietoliikennepiirejä sekä joissakin tapauksissa SRAM-, EEPROM- ja NOR Flash -muistipiirejä, jotka eivät sisälly valittuun mikro-ohjaimeen (kuva 1). Laitteiden suunnittelijat ovat tyytyväisiä, jos esimerkiksi teollisia ja lääketieteellisiä laitteita voidaan toimittaa markkinoille ainakin parikymmentä vuotta tai jopa pidempään.

Kun IC-toimittaja ilmoittaa tietyn piirin käyttöiän päättymisestä (EOL, end-of-life) uuteen prosessipolveen siirtymisen vuoksi, siitä seuraa yleensä järjestelmien valmistajille kova kiire uusien piirien kelpoisuuden varmistamiseksi. Tämä haittaa suunnitteluresursseja ja lisää odottamattomia kuluja nykyisiin ohjelmiin.

NOR Flash -piirit (yleensä näissä sovelluksissa tarvitaan vain 1 – 8 Mb) ovat pitkäikäisyyden suhteen hankalia komponentteja. Tämä johtuu siitä, että tiheämmän pään NOR Flash -perheiden piirit (256 Mb – 1 Gb+) ohjaavat muistinvalmistajien liiketoimintapäätöksiä, jolloin vaaditaan jatkuvasti yhä tiheämpään geometriaan perustuvia prosesseja, ja sen myötä piirien elinkaaret lyhenevät. Tässä artikkelissa käsitellään NOR Flashien pitkäikäisyyteen liittyviä ongelmia ja Microchipin niihin tarjoamia ratkaisuja.

Pienten muistien näkymät

NOR Flash -piirien kärkitoimittajat keskittyvät korkeakatteisiin, suurella volyymilla valmistettaviin tiheisiin piireihin. Jokaisen yrityksen tavoitteena on keskittyä omiin vahvuuksiinsa, jotta liikevoitto voidaan maksimoida ja samalla tarjota asiakkaille eniten arvoa ja alhaisimmat mahdolliset kustannukset. NOR Flash -piirien neljänkymmenen elinvuoden aikana tämä on merkinnyt sitä, että markkinoilla säilyneiden muistivalmistajien on täytynyt toistuvasti jättää taakseen menneiden vuosien pienikokoisimmat muistipiirit.

Kun valikoiman yläpäässä piirien tiheys kasvaa muutaman vuoden välein, paletin alapäässä siirrytään sitä mukaa EOL-vaiheeseen ja samalla alimman luokan tiheystaso nousee. 20 vuoden elinkaareen tähtääville sulautettujen järjestelmien kehittäjille nämä piirivalikoiman ongelmat saattavat tarkoittaa paitsi uuden piiriversion käyttöönottoa, myös kokonaan uuden toimittajan valitsemista.

Yksi ratkaisu tähän kipeään ongelmaan on järjestelmien suunnittelu ’future-proof’ -periaatteella hyödyntämällä esimerkiksi 128 megabitin NOR-piiriä käyttäjän neljän megabitin kokoisen ohjelmakoodin tallentamiseen. Tämä lähestymistapa voi kuitenkin aiheuttaa selvää huonontumista tehonkulutukseen ja järjestelmän kokonaiskustannuksiin.

Toinen ratkaisu on käyttää ei-perinteistä muistien toimittajaa, jolla on muita liiketoiminnallisia syitä tarjota samaa muistituotetta yli 20 vuoden ajan. Tällaisella toimittajalla ei ehkä ole suurtuotannon mittakaavaetuja tarjotakseen alhaisimman mahdollisen hintatason ensimmäisten tarjousten tekemisen aikaan, mutta ajan myötä tämä voi olla paljon edullisempi ratkaisu ongelmaan, kun otetaan huomioon piirien kelpoisuuden uudelleen varmistamiseen liittyvät todelliset kustannukset ja tekniset resurssit.

Microchip on tunnistanut tähän suuntaan kehittyvän tilanteen jo vuosia sitten, sillä se vaikuttaa laajaan asiakasryhmään, joka kehittää sulautettuja ratkaisuja. Tämän tiheystrendin negatiivinen vaikutus on vaatinut liiketoimintasuunnitelmiin ja tavoitteisiin strategista kurssinkorjausta. Sen seurauksena yhtiöstä on muodostunut ei-perinteinen NOR Flash -muistipiirien toimittaja, joka tarjoaa myös sarjamuotoisia SRAM- ja EEPROM-muisteja sekä analogisia ja anturipiirejä.

Nämä ’muut liiketoiminnalliset syyt’ motivoivat jatkamaan pienten NOR Flash -piirien toimittamista niin kauan kuin asiakkaat tarvitsevat niitä. Kannattaa panna myös merkille, että nämä tavoitteet ulottuvat tällä hetkellä yli 64 megabitin piireihin asti. Ja niiden valmistusta muistipiireihin erikoistuneet toimittajat taas tulevat jatkamaan vielä ainakin seuraavien 20 vuoden ajan.

Kuva 1 esittää eri järjestelmien rakennetta. Mikro-ohjain ja sitä ympäröivät muut IC-piirit määräävät sulautetulle sovellukselle tarkoituksen ja käyttöiän. Tässä esimerkissä 8 megabitin NOR Flash sisältää muutamia erilaisia näyttökuvia, jotka jaetaan kosketusnäytön lähtöpiirin kautta aina, kun ohjelmakoodi (tässä sulautettuna mikro-ohjaimeen) sitä vaatii. Tämän ulkoisen NOR Flash -muistipiirin tärkeimmät ominaisuudet ovat 8 megabitin muistikapasiteetti, standardi SPI-liitäntä, vähäinen valmiustilan virta, alhainen kirjoitusjakson virta, pieni piiala ja 20 vuoden saatavuus.

Kuva 1. Kun mikro-ohjain toimii sulautetun järjestelmän ytimenä, erityissovelluksia varten tarvitaan useita muita IC-piirejä, mukaan luettuna NOR Flash.

Alla, olevassa taulukossa nähdään kahden edellä kuvatun ratkaisun vertailu: 128 megabitin NOR Flash -piiri tulevaisuuden varmistamiseksi ja 8 megabitin NOR Flash, jolla on pitkäaikainen saatavuus ei-perinteiseltä muistitoimittajalta. On selvää, että 8 Mb NOR Flash -piiri täyttää sulautetun sovelluksen vaatimukset parhaiten.

128 Mb NOR Flash verrattuna 8 megabitin NOR Flash -piiriin, joka tarjoaa ilmeisiä etuja.

Pienen NOR Flashin käyttötavat

Vaikka alhaisen tiheyden NOR Flash -piirit eivät välttämättä sovi suurten toimittajien suunnitelmiin ja strategioihin, ne sopivat erinomaisesti sulautettujen järjestelmien piirejä toimittavan yrityksen strategiaan. Esimerkiksi tavanomaisessa kotitaloudessa on helposti useita kymmeniä sulautettuja järjestelmiä, joissa sovelletaan 8-, 16- tai jopa 32-bittisiä mikro-ohjaimia. Useimmat näistä järjestelmistä eivät vaadi suurta määrää koodia, sillä NOR Flash on usein tarkoitettu ohjelmakoodia, kalibrointiparametreja, tapahtumalokeja ynnä muita vastaavia varten.

Vaikka monissa mikro-ohjaimissa on sisäinen flash-lohko, joka kattaa nämä tarpeet, on myös paljon kuvan 1 kaltaisia tilanteita, joissa ulkoinen NOR Flash -muisti on järkevämpi ratkaisu joissakin tehtävissä. Näitä tilanteita ovat muun muassa järjestelmän kokonaiskustannusten (BOM) ja mikro-ohjaimen flash-lohkojen välinen kompromissi, mikro-ohjaimen toimintojen yhteensopimattomuus suhteessa sulautettujen flash-lohkojen kokoihin, sekä nopeampi päivitys tuotantolinjan testaussarjoihin ja järjestelmien kenttäpäivityksiin.

Lisäksi porttimäärältään pienet sovelluspiirit (FPGA) ja monimutkaiset ohjelmoitavat logiikkapiirit (CPLD) hyödyntävät NOR Flashia sovelluksen sisäisessä ohjelmoinnissa, käynnistyskoodeissa ja XIP-operaatioissa (execute-in-place). NOR Flash -mikropiirit sopivat erinomaisesti XIP-sovelluksiin tarjoamalla valmiustilassa vähäisen tehonkulutuksen, ja niihin pääsee suoraan tavallisen sarjaliitännän (SPI) avulla.

NOR Flash -piirejä on saatavissa 8-nastaisissa SOIC- ja WFDN-koteloissa (5 x 6 mm), joten ne eivät vie paljon tilaa piirilevyllä. Piirilevyalan suhteen hyvin rajallisissa kohteissa (esim. sähköhammasharja) WLCSP-kotelo (Wafer Level Chip Scale Package) säästää vielä merkittävästi enemmän levyalaa, kuten kuvasta 2 nähdään.

Kuva 2. WLCSP-koteloidun 128 megabitin ja 8 megabitin piirin kokoero voi olla merkittävä, varsinkin jos levyala on sovelluksessa kriittinen tekijä.

Tyhjennnysnopeus tuhatkertaiseksi

Vaikkei Microchip ole perinteinen muistipiirien toimittaja, se tuottaa paljon flash-muisteja. Vuosittain yhtiö toimittaa miljardeja mikro-ohjaimia, jotka sisältävät flash-lohkon. Yhtiön kehittämään SuperFlash-teknologiaan pohjautuvalla rakenteella on myös merkittävä etu. Siihen perustuvat muistikennot on suunniteltu tarjoamaan käyttäjille mahdollisimman nopea muistisolujen tyhjennys: lohkojen tyhjennys 20 kertaa tavanomaista nopeammin ja koko sirun sisällön tyhjennys tuhat kertaa nopeammin.

Vaikka NOR Flash -muistin päivittäminen ei ole kovin yleistä suurten piirien kohdalla, siitä voi olla valtavasti etua pienissä sulautetuissa järjestelmissä alenevien valmistuskustannusten muodossa (muistisisällön päivittäminen tuotantolinjalla järjestelmätestien kattavuuden parantamiseksi). Se tarjoaa myös niukkatehoisen ja nopean tavan päivittää toteutettu järjestelmä kentällä.

Jos palataan aiempaan vertailuun, 128 megabitin NOR Flashilla (ilman SuperFlash-tekniikkaa) muistilohkon tyhjentämiseen kuluva maksimiaika on tyypillisesti 0,7 – 1 sekuntia. Sen sijaan 8 megabitin NOR Flashilla (SuperFlash-tekniikan kera) tyhjennyksen enimmäisaika on vain 25 ms (30 kertaa nopeampi). Ajansäästön lisäksi tyhjennys/uudelleenkirjoitusjakson vaatiman tehonkulutuksen ero on merkittävä (800 ms, 33 mA) kunkin lohkon jokaisella pyyhintä- tai kirjoituskierroksella.

Huoletta uusiin kohteisiin

Älykkäitä, liitettäviä ja turvallisia sulautettuja ohjausratkaisuja kehittävällä Microchipillä on ainutlaatuinen näkökulma moniin sulautettujen järjestelmien osiin, ja NOR Flash on olennainen osa tätä näkemystä. Yhtiö tarjoaa asiakkaille luottamusta suunniteltaviin järjestelmiin, joiden käyttöikä voi olla kymmeniä vuosia. Vakiintunut käytäntö varmistaa piirien saatavuuden niin kauan kuin asiakkaat tarvitsevat korvaavia tuotteita.

Vaikka jotkut toimittajat saattavat luopua NOR Flash -muistituotteista ja jopa ilmoittaa julkisesti niiden valmistuksen päättymisestä, tämä Microchipin tarjoama sitoumus voi varmistaa piirien saatavuuden volyymiltaan pieniin ja keskisuuriin ja jopa suuriin sovelluksiin. Tämä pitkäikäisyys varmistaa, että käyttäjät saavat kaiken tarvittavan sulautettuun järjestelmäänsä – niin kauan kuin tarvitaan.