Gambar 1: Diagram blok perangkat stimulasi medis yang menggunakan memori eksternal untuk mendukung fungsionalitas lanjutan
Tantangan pertama bagi arsitek sistem adalah mengidentifikasi sistem yang tepat pada chip (SoC) atau mikrokontroler untuk berfungsi sebagai jantung dari sistem. Itu harus mampu memberikan kinerja yang diinginkan sekaligus mengurangi anggaran daya sistem secara keseluruhan.
Perangkat periferal, seperti memori eksternal, sensor, dan antarmuka telemetri harus sebanding dengan kinerja SoC / mikrokontroler, selain itu juga mendukung faktor bentuk yang ringkas dan konsumsi daya yang efisien.
Pilihan memori
Perangkat yang dipilih umumnya mengintegrasikan dua jenis memori, flash dan SRAM.
Flash adalah memori menulis, non-volatile yang relatif lambat yang mendukung sejumlah siklus penulisan. Ini digunakan untuk menyimpan data tetap atau lambat berubah seperti kode aplikasi, informasi sistem, dan / atau log data pengguna pasca-pemrosesan.
SRAM adalah memori volatil dengan akses cepat yang memberikan ketahanan siklus tulis tanpa batas. Ini digunakan untuk menyimpan data sistem run-time sementara.
Ketika kompleksitas sistem meningkat, begitu pula kompleksitas kode untuk beberapa fungsi dan algoritma matematika. Kapasitas memori internal chip mungkin tidak mencukupi. Sistem medis portabel seringkali membutuhkan penyimpanan tambahan, yang mengharuskan desainer untuk menambah memori internal dengan memori eksternal (Gambar 1).
Memori eksternal berdaya rendah dapat digunakan untuk ekspansi RAM, biasanya SRAM dengan arus aktif dan siaga yang sangat rendah. Opsi untuk penyimpanan non-volatile termasuk flash, EEPROM, MRAM, dan F-RAM.
Memori flash serial digunakan untuk program non-volatile dan perluasan penyimpanan data karena biayanya yang rendah dan ketersediaan kepadatan tinggi. Namun, ini memiliki konsumsi energi yang relatif tinggi, yang mengurangi masa pakai perangkat berbasis baterai.
Beberapa aplikasi mengganti sebagian memori dengan EEPROM, tetapi ini masih tidak ramah baterai, terutama bila operasi melibatkan penulisan ekstensif ke EEPROM. Ini juga memperumit desain kode aplikasi.
Magneto-resistive RAM (MRAM) memiliki daya tahan tulis yang tidak terbatas. Kerugiannya, bagaimanapun, adalah bahwa ia mengkonsumsi arus aktif dan siaga yang sangat tinggi dan rentan terhadap medan magnet yang dapat merusak data yang disimpan. Karenanya, karakteristik ini membuatnya tidak cocok untuk perangkat medis yang dioperasikan dengan baterai.
Ferroelectric RAM (F-RAM), memiliki beberapa keunggulan utama dalam perangkat medis portabel dan memiliki ketahanan siklus tulis yang tinggi.
Komplikasi medis
Gambar 2: Konsumsi energi per penulisan 4Mb (µJ) untuk teknologi memori non-volatile
Ketahanan menulis EEPROM dan flash yang terbatas menciptakan masalah potensial untuk perangkat medis yang perlu menyimpan log data yang terus diperbarui. Flash menawarkan ketahanan pada urutan 1E + 5 dan EEPROM adalah 1E + 6. Daya tahan siklus tulis F-RAM adalah 1E + 14 (atau 100 triliun). Hal ini memungkinkan perangkat untuk dapat mencatat lebih banyak data tanpa harus mengimplementasikan algoritme leveling keausan yang kompleks dan menyediakan kapasitas tambahan yang berlebihan (Gambar 3).
Keuntungan kedua adalah bahwa arsitektur internal F ‑ RAM mengkonsumsi energi aktif yang besarnya lebih rendah daripada flash berbasis pengisian daya atau perangkat penyimpanan EEPROM (Gambar 2).
Sebagai contoh, Excelon F ‑ RAMs dari Cypress mendukung mode standby, deep power down dan hibernate idle mode. Menerapkan ini ke dalam aplikasi dapat mengurangi konsumsi daya sekitar dua kali lipat dalam kombinasi dengan mode daya aktif yang lebih rendah.
Gambar 3: Perbandingan siklus ketahanan untuk teknologi memori non-volatile
EEPROM dan flash memerlukan waktu siklus halaman-program / halaman-tulis tambahan, sehingga meningkatkan waktu aktif sistem untuk operasi tulis. Non-volatilitas langsung F ‑ RAM memungkinkan sistem yang dioperasikan dengan baterai mematikan catu daya sepenuhnya atau lebih cepat menjatuhkan sistem ke mode siaga daya rendah untuk mengurangi waktu aktif dan arus aktif.
Ini juga meningkatkan keandalan dalam aplikasi yang memiliki persyaratan waktu yang tepat di mana data berisiko selama gangguan daya. Sel F-RAM juga sangat toleran terhadap berbagai jenis radiasi, termasuk sinar-x dan radiasi gamma dan kebal terhadap medan magnet, untuk melindungi data yang direkam.
Beberapa perangkat F-RAM, seperti Excelon LP, menyediakan kode koreksi kesalahan (ECC) on-chip yang dapat mendeteksi dan memperbaiki kesalahan bit tunggal di setiap 64-bit data word, meningkatkan keandalan penyimpanan log data sistem yang penting. F ‑ RAM juga mendukung arus puncak terkontrol (yaitu, kontrol arus masuk kurang dari 1,5 mA) untuk mencegah pengosongan daya baterai yang berlebihan.
F ‑ RAM dapat disimpan dalam kemasan yang hemat ruang. Misalnya, Excelon LP menawarkan hingga 8Mbit dan tersedia dalam SOIC delapan pin standar industri dan paket GQFN delapan pin miniatur dengan throughput hingga 50MHz SPI I / O dan 108MHz QSPI (Quad ‑ SPI) I / O.
Daya tahan F ‑ RAM yang hampir tak terbatas, non-volatilitas instan, dan konsumsi daya yang rendah memungkinkan perancang sistem untuk menggabungkan data dan fungsi berbasis RAM dan ROM dalam satu memori.
Teknologi berbasis ROM, termasuk mask ‑ ROM, OTP ‑ EPROM, dan NOR ‑ flash, tidak mudah berubah dan berorientasi pada aplikasi penyimpanan kode.
NAND ‑ flash dan EEPROM juga dapat berfungsi sebagai memori data non-volatile. Ini semua memerlukan beberapa kompromi, karena keduanya melakukan penyimpanan kode dan data dengan kinerja rendah dibandingkan dengan memori alternatif.
Teknologi ini berfokus pada biaya yang lebih rendah, yang membutuhkan trade-off atas kemudahan penggunaan dan / atau kinerja.
Teknologi berbasis RAM berfungsi sebagai memori data dan juga sebagai ruang kerja untuk eksekusi kode saat mengeksekusi dari flash terbukti terlalu lambat. RAM menyediakan perpaduan antara kode dan fungsionalitas data, tetapi sifatnya yang tidak stabil membatasi penggunaannya untuk penyimpanan sementara.
Aplikasi portabel memerlukan kinerja yang dioptimalkan dalam sesedikit mungkin komponen.
Menggunakan beberapa jenis memori dapat menyebabkan inefisiensi, memperumit desain kode, dan biasanya menghabiskan lebih banyak energi.
Efisiensi dan keandalan F ‑ RAM memungkinkan teknologi memori tunggal menangani kode dan data.
Ia memiliki ketahanan untuk mendukung pencatatan data frekuensi tinggi sambil menurunkan biaya sistem, meningkatkan efisiensi sistem dan mengurangi kompleksitas sistem.
