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Speicherbausteine

Der richtige Flash-Speicher für M2M-Applikationen

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Die Anzahl mobilfunkbasierter IoT-Verbindungen wird sich voraussichtlich in den nächsten drei Jahren fast verdoppeln. Die Betreiber arbeiten an einer Optimierung der 4G-LTE-Netzwerke, um leistungsfähige Datendienste bereitstellen zu können. Mobile Netzbetreiber (MNO), die umsatzstarke M2M-Dienste verwenden, fördern die Verbreitung von 3G- und 4G-Netzwerken. M2M-Modulhersteller setzen in neuen Designs keine 2G-zertifizierten Module mehr ein, sondern orientieren sich vielmehr an neueren Komponentenlösungen und hochmodernen Fertigungstechnologien. Folglich wächst der Markt für 3G-M2M-Module – bis 2016 werden sie voraussichtlich die Hälfte aller M2M-Mobilfunkverbindungen für sich beanspruchen.

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Bild 2 zeigt die typischen Funktionsblöcke eines M2M-Mobilfunkmodul inklusive Softwarestack. Die Flash-Speicheranforderungen liegen zwischen 32 Mb für 2G - und 4 Gb für 4G-Mobilfunkmodule. Die Modemgeschwindigkeit ist bei 2G-Mobilfunkmodulen langsamer, und benötigt mit 32 oder 64 Mb eine geringere Speicherdichte für kritischen Kommunikationscode. Hier ist NOR-Flash die geeignete Speicherlösung. Ihre Execute-in-Place-Architektur (XiP) erlaubt die Codeausführung außerhalb des Flash-Speichers und erfordert nur 16 bis 32 Mb PSRAM im Arbeitsspeicher oder Extended-Cache.

3G- und 4G-Mobilfunkmodule sind hinsichtlich Leistungsfähigkeit und Speicherdichte anspruchsvoller. Der kritische Kommunikationscode ist wesentlich komplexer, und das System muss eine Kopie des Software-Images und Java-Middleware-Versionen speichern. Die Anforderungen an die Speicherdichte steigen damit beim NAND-Flashspeicher auf bis zu 4 Gb an. Aus Kostensicht ist hierfür ein SLC NAND ab einer Speicherdicht von 1 Gb die richtige Wahl.

Leistungsfähigkeit, Dichte, Kosten und Verpackung

Ein Umstieg auf NAND-Flash bedeutet jedoch, dass Code nicht direkt außerhalb des Flashspeichers ausgeführt werden kann, sondern in das RAM geladen werden muss. Diese Architektur wird als Store-and-Download (SnD) bzw. Compute-Memory bezeichnet und bedeutet wesentlich höhere Anforderungen bei externen DRAMs hinsichtlich der Codeausführung. Die Gesamtkosten der Speicherlösung bleiben mit denen einer NOR-Flash- und DRAM-Lösung mit geringerer Dichte vergleichbar.

Aufgrund des kleinen Formfaktors von M2M-Modulen kommen bevorzugt Multi-Chip-Packages (MCP) zum Einsatz, die erheblich platzsparender sind als sparate Flash- und DRAM-Kombinationen. Bild 5 zeigt eine MCP-Lösung bestehend aus einem 1 Gb NAND und einem 512 Mb LPDRAM in einem Gehäuse mit den Abmessungen 8 mm x 9 mm x 1 mm zur Unterbringung in einem 3G/4G-M2M-Modul.

NOR-Flash ist im Vergleich zu NAND-Flash die bewährtere Lösung für Automotive-, Industrie- und Medizintechnikapplikationen. Diese zeichnen sich durch lange Lebenszyklen aus; die durchschnittliche Laufzeit eines M2M-Moduls liegt typisch bei 10 Jahren und länger. Zudem führt NOR-Flash sämtliche Speicherfunktionen eigenständig aus, während ein NAND-Flash hierfür die Unterstützung des Prozessor benötigt, z.B. für ECC, Bad-Block-Management und Wear-Leveling. Diese Anforderungen erschweren es u.U., das Produkt über seine gesamte Lebensdauer oder im Falle schrumpfender NAND-Geometrien zu unterstützen, denn es ist kaum sicherzustellen, dass sich die Eigenschaften von NAND-Speichern in diesem Fall nicht verändern.

Die Möglichkeit, Systemspeicherupdates auszuführen, ist einer der Hauptvorteile der Flash-Speichertechnologie für Embedded-Applikationen, die typisch etwa 100.000 Programmier- und Löschvorgänge sowie mindestens 10 Jahre Datenhaltezeit (Retention) erfordern. NOR-Flash-Speicher erfüllt diese Anforderungen bereits über mehrere Generationen schrumpfender Prozessgeometrien. Beim NAND-Flash verändern sich mit kleinerer Lithographie auch die Eigenschaften. Dieser Effekt kommt besonders bei Technologien unter 30 nm zum Tragen. Hier steigen die ECC-Anforderungen beträchtlich, und bei Embedded-Applikationen kommt es zu Einschränkungen hinsichtlich der Programmier- und Löschkapazität.

Das Anwendungsszenario ist ein kritischer Faktor bei der Auswahl eines Flash-Speichers, der sich am besten für eine bestimmte Anwendung eignet. Die Kostenvorteile von NAND-Flash kommen beispielsweise bei Anwendungen zum Tragen, die auf der SnD-Architektur basieren - d.h. während des Anschaltvorgangs wird Code in das DRAM kopiert und Updates finden nur gelegentlich statt, und besonders wenn aufgrund der Codedichte mehr als 1Gb Speicher erforderlich ist. Eine sorgfältigere Bewertung des Anwendungsszenarios ist hingegen bei M2M-Applikationen vonnöten, bei denen wegen häufiger Code- und Datenupdates mehr Programmier- und Löschzyklen erforderlich wären, als es die Speichertechnologie erlaubt.

* Dan Craig ist Segment Marketing Director,

* Sridhar Lingam ist Sr. Product Marketing Manager, Micron Technology

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