F-RAM-Speicher für die Datenerfassung Daten effizient und sicher speichern

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Rutronik Elektronische Bauelemente GmbH

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Die Anforderungen an nichtflüchtige Speicher in Sachen Datenschreib- und Zugriffsgeschwindigkeit, Datenerhalt und geringer Stromverbrauch steigen, gerade in unternehmenskritischen Anwendungen. Eine bewährte Technologie, die auch extreme Anforderungen erfüllt, ist F-RAM.

Die Datenerfassung war schon immer ein ganz wesentliches Element in unternehmenskritischen Umgebungen und Anwendungen. Um die Daten zu speichern, kam deshalb meist ein batteriegepuffertes SRAM (Static Random Access Memory) zum Einsatz. Auch wenn es ein hohes Mass an Sicherheit gewährleistet, hat das SRAM einige Nachteile:

• Es werden mehrere Komponenten gebraucht (Batterie, Power Management Controller), die viel Leiterplattenfläche beanspruchen und eine hohe Ausfallrate haben.

• Um eine Überhitzung der Batterie zu vermeiden, wird sie normalerweise erst nach dem Reflow-Prozess montiert, was zu höheren Herstellungskosten führt.

• Industrieroboter und Fahrzeuge sind häufig Vibrationen ausgesetzt, sodass sich Steckverbinder, die die Batterien an ihrem Platz halten, lockern oder lösen können. Das verringert die Zuverlässigkeit des gesamten Systems.

• Die Batterien müssen während der langen Betriebsdauer eines typischen Industrieroboters oder Fahrzeugs gewartet und ausgetauscht werden.

• Batterien erfüllen nicht die RoHS-Richtlinien und stellen Betreiber damit vor Entsorgungsprobleme.

Aus diesen Gründen kommen in industriellen Anwendungen immer häufiger nichtflüchtige Speicher (Non-Volatile Memory, NVM) zum Einsatz. Häufig fällt die erste Wahl auf EEPROMs. Es ist in der Regel jedoch ungeeignet, da die meisten Anwendungen Echtzeit-Zuverlässigkeit bei der Datenerfassung erfordern. Zudem arbeiten EEPROMs nicht besonders energieeffizient. Der Stromverbrauch ist jedoch ein entscheidender Faktor, weil in diesen Anwendungen fortlaufend Daten erfasst werden müssen.

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Hauptanforderungen an Datenspeicher

Aufgrund der Anforderungen aus kontinuierlicher Datenerfassung und der Forderung nach langer Lebensdauer müssen Speicher für Industrie- und Automotive-Anwendungen, aber auch für medizinische Applikationen, eine praktisch unbegrenzte Endurance mitbringen.

F-RAM (Ferroelectric Random Access Memory) hat eine höhere Endurance als EEPROM; zudem speichert es – im Gegensatz zu EEPROM – Daten sofort (Tabelle). Es arbeitet energieeffizient und benötigt keine zusätzliche Batterie, um genug Energie für die Speicherung im SRAM zu haben. Ausserdem ist kein Speicher-Controller erforderlich, was Platz und Kosten spart. Durch die geringere Anzahl an Komponenten erhöht sich gleichzeitig die Zuverlässigkeit. Ein weiterer Vorteil ist die grosse Produktvielfalt auf dem Markt, sodass für jede Anwendung das optimale F-RAM-Produkt zur Verfügung steht.

Trends bei der Datenerfassung

Sowohl in der Industrie als auch auf dem Medizin- und dem Automotive-Markt sind derzeit Trends zu beobachten, die die Daten­erfassung in den entsprechenden Anwendungen prägen.

Trend in der Industrie: Konstrukteure von Industrieanwendungen müssen entscheiden, ob die Datenerfassung zentral im Haupt­mikrocontroller passieren soll oder an jedem Motor separat. Aktuell erfordern Daten­erfassungsanwendungen bis zu 1 MB Speicher am Motor. Mit Controllern werden hingegen bis zu 16 MB benötigt.

Für Hochgeschwindigkeitsanwendungen, z. B. eine Sechs-Achsen-Robotersteuerung, bietet Infineons neueste NVM-Generation, das F-RAM Excelon, eine hohe Speicherdichte und eine Vierfach-SPI-Schnittstelle (QSPI) für schnellen Datendurchsatz. Für Anwendungen mit geringeren Anforderungen, beispielsweise einer Motion-Control-Anwendung mit drei Motorsteuerungen, stehen aus der Serie auch Modelle mit geringerer Dichte und einer seriellen peripheren Schnittstelle (SPI) zur Verfügung.

Trend im Automobil: Automotive-Systeme erfordern eine kontinuierliche Datenaufzeichnung und müssen Sensordaten im Falle eines Stromausfalls verzögerungsfrei erfassen. In den rauen Betriebsumgebungen mit hohen Anforderungen an die Anzahl von Lese-/Schreibzyklen und den Datenerhalt ist eine möglichst stabile Leistung nötig, die zudem effiziente Schnittstellen mit geringer Pin-Anzahl und hoher Geschwindigkeit unterstützt. Hierfür sind die F-RAMs der Excelon-Auto-Serie ausgelegt: Sie erfassen Daten sofort ohne Haltezeit und ohne zusätzliche Komponenten. Sie unterstützen eine QSPI-Schnittstelle mit bis zu 108 MHz und sind AEC-Q100-1-, -2- und -3-qualifiziert. Die Speicherkomponenten erfüllen somit die Kriterien der funktionalen Sicherheit. Mit 100 Billionen Schreibzyklen kann ein Excelon-Chip im Auto Daten 20 Jahre lang schreiben.

Trend in der Medizinbranche: Eine zunehmende Konnektivität und das Internet der Dinge mit tragbaren und ferngesteuerten Patientenüberwachungssystemen ermöglichen eine Versorgung, die sich vom Krankenhaus zunehmend nach Hause verlagert. Treiber dieser Entwicklung sind eine schnell alternde Bevölkerung und steigende Gesundheitskosten, insbesondere in den Industrieländern.

Durch die mobilen medizinischen Geräte für zu Hause, etwa Infusionspumpen oder Herzschrittmacher, werden Ferntherapien möglich. Hierfür ist jedoch eine erheblich umfangreichere und zuverlässige Echtzeit-​Datenerfassung nötig, um einen effizienten und sicheren Betrieb auch bei einem möglichen Stromausfall zu gewährleisten. Ein niedriger Stromverbrauch spielt hier eine wichtige Rolle, um die Batterielebensdauer der Geräte zu maximieren.

Mit Schreibfunktionen ohne Verzögerung, nahezu unbegrenzter Lebensdauer und Ul­tra-Low-Power-Modi erfüllen die Excelon-F‑RAM-Bausteine alle Anforderungen (Bild 1). Mit dem neuesten GQFN-Gehäuse bieten sie zudem einen kleinen Formfaktor – ein Vorteil gerade für die tragbaren Geräte. Zudem sind die F-RAM-Zellen von Infineon so robust, dass sie Magnetfeldeinflüssen und Strahlung standhalten. So reduzieren sie die Risiken durch externe Systeme und verhindern weitere Eingriffe zum Austausch der Speicherkomponenten.

Fazit

Die Beispiele zeigen: Der Bedarf an zuverlässigem, schnellem, stromsparendem und hochleistungsfähigem F-RAM ist in einem breiten Spektrum von Anwendungen, die auf Daten von mehreren Sensoren angewiesen sind, deutlich gestiegen. Dies gilt ganz besonders in unternehmenskritischen Bereichen, wo der Verlust von Daten die Sicherheitsmechanismen erheblich beeinträchtigen kann. Darüber hinaus spielt die Datenerfassung eine wichtige Rolle als Wegbereiter neuer KI- und ML-Funktionen wie der vorausschauenden Wartung. Sie stellt die Daten bereit, die die Innovation in diesen Anwendungen vorantreiben werden.

Ihre praktisch unbegrenzte Lebensdauer in Verbindung mit der sofortigen und zuverlässigen Datenerfassung und dem hohen Datendurchsatz machen die F-RAMs von Infineon zur ersten Wahl für die Hochleistungsdatenerfassung in ADAS, Industrierobotern und medizinischen Geräten. Mit unterschiedlichen Dichten erfüllt F-RAM die Anforderungen verschiedener Anwendungen. Das gibt Entwicklerinnen und Entwicklern auch die Flexibilität, den erst noch entstehenden Anforderungen von Edge-Technologien der nächsten Generation gerecht zu werden.

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