L’importanza delle memorie DDR SDRAM nei sistemi embedded

I prodotti elettronici di oggi sono ciò che sono grazie alla memoria. Questi dispositivi richiedono alta velocità e larghezza di banda elevata. La generazione delle memorie DDR SDRAM (Double data rate synchronous dynamic random-access memory) raggiunge una larghezza di banda maggiore rispetto alle generazioni precedenti, ed è comunemente utilizzata in varie applicazioni embedded come networking, elaborazione di immagini/video, laptop ecc.

Introduzione

L'evoluzione delle memorie ha portato ad architetture avanzate, velocità, densità e larghezza di banda più elevate, minori tensioni di alimentazione e consumo energetico ridotto. Questi significativi progressi si sono combinati per far avanzare la tecnologia microelettronica e offrire nuovi sistemi embedded performanti. La memoria ad accesso casuale dinamica sincrona a doppia velocità dati (DDR SDRAM) è una classe di circuiti integrati di memoria utilizzati nei principali dispositivi computer. Rispetto alla generazione Single Data Rate (SDR) SDRAM, l'interfaccia DDR SDRAM consente velocità di trasferimento più elevate grazie a un controllo più rigoroso della temporizzazione dei dati e segnali di clock. L'interfaccia DDR utilizza un doppio trasferimento dei dati sia sul fronte di salita che di discesa del segnale di clock. Un vantaggio di mantenere la frequenza di clock ridotta è quello di ridurre i requisiti di integrità del segnale sulla scheda a circuito che collega la memoria al controller. DDR SDRAM è quindi simile alla normale SDRAM con un raddoppio della larghezza di banda della memoria senza un corrispondente aumento della frequenza di clock. Ciò ha fornito un significativo aumento delle prestazioni rispetto all'architettura tradizionale. DDR SDRAM utilizza un clock differenziale (CK) e segnale strobe dei dati (DQS) per realizzare l'alta velocità per il trasferimento dati. DQS è sincronizzato con CK, e il flusso di dati di input/output (DQ) è sincronizzato con entrambi. DQS è trasmesso dalla memoria durante le operazioni di READ e dal controller di memoria durante quelle WRITE. Alliance Memory è un'azienda produttrice mondiale di prodotti di memoria legacy che sono pin-to-pin compatibili per SRAM e DRAM di Micron, Samsung, ISSI, Cypress, Nanya, Hynix e altri. La gamma di prodotti include la famiglia completa di SRAM asincroni da 3,3 V e 5 V utilizzata con processori di segnali digitali (DSP) e microcontrollori tradizionali; e SRAM sincrone, SRAM a bassa potenza, SRAM a bassa potenza ZMD, DRAM sincrone 3,3V (SDR), 2,5V single (DDR1), 1,8V double (DDR2) e 1,5V e 1,35 V triple rate (DDR3). L'obiettivo della Alliance Memory è quello di fornire ai vari clienti ti tutto il mondo un pieno supporto, attraverso i prodotti SRAM e DRAM fabbricati negli Stati Uniti, Shangai e Taiwan, ed utilizzati nei più svariati mercati delle comunicazioni, dell'informatica, industriale e dei consumatori.

Applicazioni delle DDR

Uno dei fattori più importanti nel successo dei progetti system-on-chip (SoC) di oggi è la capacità di fornire un accesso efficiente alla memoria DRAM (Dynamic Access Memory) dinamica a doppia velocità (DDR). Ciò è particolarmente vero nei SoC consumer in cui il sottosistema di memoria è spesso condiviso e deve servire numerosi processi di elaborazione nel sistema, ognuno con i suoi requisiti di larghezza di banda e latenza variabili. Oltre a fornire dati a più clienti on-chip, i nuovi prodotti consumer multi-media devono ora gestire enormi quantità di dati continuando ad operare su un budget energetico efficiente. SDRAM è un tipo di DRAM che è "sincrono" con il bus di sistema. Il dispositivo necessita di un controller SDRAM, in genere appartenente al SoC, affinché funzioni correttamente. I dati sono organizzati come riga e colonna e una macchina di stato interna che si occupa della logica di recupero e aggiornamento. Il SoC deve integrare meccanismi di Error Correction Code (ECC) quando si utilizza una DRAM esterna (figura 1).

Figura 1: diagramma a blocchi di un digital media processor con esempio di implementazione di SDRAM

Le varietà ad alta velocità di SDRAM includono DDR1, DDR2, DDR3 e DDR4. Le ultime versioni hanno diversi requisiti di alimentazione e nuove sfide di progettazione dell'integrità del segnale, in particolare relative a schemi ODT. La scelta della memoria è un passo fondamentale nelle applicazioni ad alte prestazioni, poiché le sfide e i limiti delle prestazioni del sistema sono spesso decisi sul tipo di architettura della memoria. Il throughput della memoria può essere il requisito più critico in un sistema complesso ad alte prestazioni. Nell'ambiente industriale, come nell'elettronica di consumo, i progettisti embedded devono offrire più prestazioni, funzionalità e flessibilità ad un costo inferiore, un minore consumo energetico e minori ingombri. Allo stesso tempo, i componenti industriali devono soddisfare severi requisiti di affidabilità, robustezza e durata, anche a fronte di condizioni operative punitive, e devono farlo anno dopo anno.

Il primo passo per soddisfare tutte queste richieste contrastanti è scegliere l'unità di elaborazione centrale (CPU) appropriata. I microprocessori (MPU) offrono prestazioni sofisticate e mirate, ma al costo di una maggiore complessità. Le MPU fanno affidamento sulla memoria esterna e su sofisticati alimentatori per fornire una maggiore capacità di elaborazione con capacità flash e RAM molto più elevate. Conosciuti anche come processori di applicazioni o processori multimediali, le prestazioni degli MPU sono in genere molto elevate rispetto agli MCU prodotti contemporaneamente. Tutta quella velocità e la funzionalità digitale vanno invece a scapito della riduzione della funzionalità analogica e dell'eliminazione completa della memoria non volatile. Di conseguenza, le MPU tipicamente eseguono molte funzioni off-chip a livello di sistema utilizzando IC esterni come flash NOR, RAM a doppia velocità (DDR), IC di gestione dell'alimentazione, convertitori analogico-digitali (ADC), codec e controllori touch. Le MPU generalmente utilizzano sistemi operativi open source come Linux e Android, sebbene applicazioni ad alta affidabilità possano richiedere sistemi operativi proprietari. Questi sistemi operativi includono una libreria di driver, ad esempio per codec, Ethernet, USB, ecc. La maggior parte dei provider di MPU crea e mantiene versioni sia Linux che Android per le loro schede di valutazione, spesso supportandole con grandi team di software.

Questi livelli di funzionalità richiedono molta più memoria. Il kernel Linux da solo, senza codice dell'applicazione, può essere da 1 a 5 MB, per esempio. Sebbene possa essere memorizzato in una flash non volatile, deve essere trasferito nella memoria DDR per l'esecuzione ad alta velocità. Questo approccio si traduce in un'esecuzione più rapida del codice, ma richiede un tempo di avvio più lungo. Tra le varie evoluzioni, la memoria DDR3 riduce il consumo di energia del 40% rispetto ai moduli DDR2 attuali, consentendo correnti e tensioni operative inferiori. La velocità di trasferimento dati di DDR3 è 800 - 1600 MT / s. La larghezza del buffer di prelettura di DDR3 è di 8 bit, mentre quella di DDR2 è di 4 bit e quella di DDR prima versione è di 2 bit. DDR3 aggiunge anche due funzioni, come ASR (Automatic Self-Refresh) e SRT (Self-Refresh Temperature). DDR4 SDRAM (Double Data Rate Four SDRAM) fornisce la tensione operativa più bassa (1,2 V) e una maggiore velocità di trasferimento dati. La velocità di trasferimento di DDR4 è 2133 - 3200 MT / s. Inoltre, DDR4 aggiunge anche alcune funzioni operative quali DBI (Data Bus Inversion), CRC (Cyclic Redundancy Check) e CA Parity.

I dispositivi mobile di prossima generazione includono CPU generiche, da provider come ARM, IBM e MIPS, nonché processori multimediali dedicati per la gestione della codifica e decodifica video e rendering 3D per i giochi. Tutti questi processori hanno un collo di bottiglia significativo, ovvero il sottosistema di memoria. Un elemento fondamentale per il sottosistema di memoria DDR è la capacità di comunicare con altri sistemi di archiviazione, come NAND Flash in un design di telefoni cellulari. Ad esempio, l'acquisizione di immagini ad alta risoluzione e di streaming video richiede grandi quantità di spazio di archiviazione con larghezza di banda elevata. Un efficiente sistema di memoria DDR può consentire il trasferimento diretto di questi pacchetti multimediali dai dispositivi Flash di archiviazione di massa in quella DRAM, e aumentando così le prestazioni del sistema. Questa funzionalità libera i bus di sistema per altre attività e riduce la potenza complessiva utilizzata per il trasferimento dei dati. TME è distributore ufficiale della Alliance Memory con una serie di prodotti che appartengono alla famiglia DDR2, DDR3 e DDR4. L'ultima novità del mercato è rappresentato dal prodotto della Alliance Memory: AS4C64M16D2A, un CMOS DoubleData-Rate-Two ad alta velocità (DDR2) a 1024 Mbit (figura 2). Il dispositivo è progettato per essere conforme alla DRAM DDR2 in termini di Off-Chip Driver (OCD) e On Die Termination (ODT).

Figura 2: schema a blocchi della DDR2 AS4C64M16D2A

Le DRAM Double-Data-Rate-3 da 2 GB sono impiegate per ottenere un funzionamento ad alta velocità. Questi dispositivi sincroni raggiungono velocità di trasferimento dati fino a 1866 Mb / sec / pin per applicazioni generali. Funzionano con un'alimentazione singola da 1,5 V ± 0,075 V e sono disponibili in package BGA.

Conclusioni

Fino ad ora, la maggior parte dei processori contenuti nelle automobili poteva essere servita da SRAM, ad eccezione dei sistemi di infotainment che si basano su una CPU più potente connessa alla DRAM, ma questi sistemi non sono critici per la sicurezza. I sistemi di veicoli a guida autonoma richiedono potenti processori con elevate prestazioni in termini di capacità di memoria e la larghezza di banda, il tutto possibile solo con DDR SDRAM. Le prestazioni di un processore sono fortemente legate alla capacità con cui i dati possono essere letti e/o scritti e quindi a fornire una corretta analisi per la gestione dell'operazione richiesta in una visione di smart grid per le connessioni legate all'IoT.