図1：外部メモリを使用して高度な機能をサポートする医療用刺激デバイスのブロック図
システムアーキテクトの最初の課題は、システムの心臓部として機能する適切なシステムオンチップ（SoC）またはマイクロコントローラーを特定することです。システム全体のパワーバジェットを削減すると同時に、目的のパフォーマンスを提供できる必要があります。
外部メモリ、センサー、テレメトリインターフェイスなどの周辺機器は、コンパクトなフォームファクターと効率的な電力消費をサポートしながら、SoC /マイクロコントローラーのパフォーマンスと同等でなければなりません。
メモリの選択
選択したデバイスは、通常、フラッシュとSRAMの2種類のメモリを統合します。
フラッシュは比較的遅い書き込みの不揮発性メモリで、限られた数の書き込みサイクルをサポートします。これは、アプリケーションコード、システム情報、および/または後処理されたユーザーデータログなど、固定または変化の遅いデータを保持するために使用されます。
SRAMは、無制限の書き込みサイクル耐久性を提供する高速アクセスの揮発性メモリです。一時的なランタイムシステムデータを格納するために使用されます。
システムの複雑さが増すにつれて、複数の数学関数およびアルゴリズムのコードの複雑さが増します。内蔵メモリ容量が不足している可能性があります。ポータブル医療システムは、多くの場合、追加のストレージを必要とし、設計者は内部メモリを外部メモリで拡張する必要があります（図1）。
低電力の外部メモリをRAMの拡張に使用できます。通常、アクティブ電流とスタンバイ電流が非常に低いSRAMです。不揮発性ストレージのオプションには、フラッシュ、EEPROM、MRAM、F-RAMなどがあります。
シリアルフラッシュメモリは、低コストで高密度の可用性があるため、不揮発性プログラムとデータストレージの拡張に使用されます。ただし、エネルギー消費が比較的高いため、バッテリベースのデバイスの動作寿命が短くなります。
一部のアプリケーションは、メモリの一部をEEPROMに置き換えますが、特に、操作がEEPROMへの大量の書き込みを伴う場合、これはまだバッテリーに適していません。また、アプリケーションコードの設計も複雑になります。
磁気抵抗RAM（MRAM）には、無制限の書き込み耐久性があります。ただし、その不利な点は、非常に高いアクティブ電流とスタンバイ電流を消費し、保存されたデータを破壊する可能性のある磁場の影響を受けやすいことです。したがって、これらの特性により、バッテリ駆動の医療機器には適していません。
強誘電体RAM（F-RAM）は、ポータブル医療機器にいくつかの重要な利点があり、書き込みサイクルの耐久性が高いです。
医療合併症
図2：不揮発性メモリテクノロジの4Mb書き込みあたりのエネルギー消費量（µJ）
EEPROMとフラッシュの書き込み耐久性は限られているため、常に更新されるデータログを保存する必要がある医療機器に潜在的な問題が生じます。フラッシュは1E + 5のオーダーの耐久性を提供し、EEPROMは1E + 6です。 F-RAM書き込みサイクルの耐久性は1E + 14（または100兆）です。これにより、デバイスは、複雑なウェアレベリングアルゴリズムを実装したり、追加の容量をオーバープロビジョニングしたりすることなく、より多くのデータを記録できます（図3）。
2番目の利点は、F-RAMの内部アーキテクチャが、電荷ベースのフラッシュまたはEEPROMストレージデバイスよりも桁違いに低いアクティブエネルギーを消費することです（図2）。
たとえば、サイプレスのExcelon F‑RAMは、スタンバイ、ディープパワーダウン、休止状態のアイドルモードをサポートしています。これらをアプリケーションに実装すると、低アクティブ電力モードと組み合わせて消費電力を約2桁削減できます。
図3：不揮発性メモリテクノロジの耐久サイクルの比較
EEPROMとフラッシュは、追加のページプログラム/ページ書き込みサイクルタイムを必要とするため、書き込み操作のシステムアクティブ時間を増やします。 F‑RAMの即時の非揮発性により、バッテリー駆動のシステムは電源を完全にオフにするか、システムをより迅速に低電力アイドルモードにして、アクティブ時間とアクティブ電流の両方を削減できます。
これにより、電源障害時にデータが危険にさらされる正確なタイミング要件を持つアプリケーションの信頼性も向上します。 F‑RAMセルは、X線やガンマ線などのさまざまな種類の放射線に対する耐性が高く、磁場の影響を受けず、記録されたデータを保護します。
Excelon LPなどの一部のF‑RAMデバイスは、すべての64ビットデータワードのシングルビットエラーを検出および訂正できるオンチップエラー訂正コード（ECC）を提供し、重要なシステムデータログのストレージの信頼性を高めます。 F‑RAMは、制御されたピーク電流（つまり、1.5 mA未満の突入電流制御）もサポートし、バッテリーの過度の放電を防ぎます。
F‑RAMはスペース効率の良いパッケージに収納できます。たとえば、Excelon LPは最大8Mビットを提供し、最大50MHzのSPI I / Oおよび108MHz QSPI（Quad‑SPI）I / Oのスループットを備えた業界標準の8ピンSOICおよび小型8ピンGQFNパッケージで提供されます。
F‑RAMの実質的に無限の耐久性、瞬時の非揮発性、および低消費電力により、システム設計者はRAM‑とROM‑ベースのデータと機能の両方を1つのメモリ内で組み合わせることができます。
マスクROM、OTP EPROM、NORフラッシュなどのROMベースのテクノロジーは不揮発性で、コードストレージアプリケーションを対象としています。
NANDフラッシュとEEPROMは、不揮発性データメモリとしても機能します。これらはすべて、代替メモリと比較して低パフォーマンスでコードとデータストレージの両方を実行するため、ある程度の妥協が必要です。
これらのテクノロジーは低コストに焦点を当てているため、使いやすさやパフォーマンスのトレードオフが必要です。
RAMベースのテクノロジは、データメモリとして機能し、フラッシュからの実行が遅すぎるとコード実行の作業領域としても機能します。 RAMは、コードとデータ機能のブレンドを提供しますが、その揮発性の性質により、一時的なストレージへの使用が制限されます。
ポータブルアプリケーションは、可能な限り少ないコンポーネントで最適化されたパフォーマンスを必要とします。
複数のメモリタイプを使用すると、非効率になり、コード設計が複雑になり、通常はより多くのエネルギーを消費します。
F‑RAMの効率と信頼性により、単一のメモリ技術でコードとデータの両方を処理することが可能になります。
システムのコストを下げ、システムの効率を上げ、システムの複雑さを減らしながら、高周波データロギングをサポートする耐久性があります。
