Flash-Flitzer: Neuer Speicher ist 5x schneller und benötigt 70% weniger Energie

| Redakteur: Michael Eckstein

Schnell und sparsam: Der neue FusionHD-Flash-Speicher von Adesto enthält intelligente Detaillösungen.
Schnell und sparsam: Der neue FusionHD-Flash-Speicher von Adesto enthält intelligente Detaillösungen. (Bild: Adesto)

Mit patentierter Low-Power-Technologie, neuen Security-Funktionen und einer Speicherkapazität von bis zu 32 MBit erweitert Adesto seine auf IoT-Anwendungen zielende Fusion-Flash-Baureihe. Intelligente Detaillösungen lassen FusionHD aus der Masse herkömmlicher nichtflüchtiger NOR-Flash-Speicherlösungen herausragen.

Im IoT-Universum gibt es einen Trend zu intelligenteren Edge-Geräten (Knoten). „In der Enhanced IoT-Phase ging es darum, die Knoten mit einigen lokalen Funktionen und verbesserter Konnektivität auszustatten, damit sie generierte Daten direkt mit einem Gateway oder einer Cloud austauschen können“, sagt Paul Hill, Senior Marketing Director von Adesto. Auf dem Weg zum Smart IoT reiche das aber nicht mehr aus: „Heute sind Kernfunktionen wie Datensicherheit und KI für Inferenzanwendungen gefragt.“ Diese erfordern mehr Rechenleistung und mehr sowie sicheren lokalen Speicher. Gleichzeitig bleibt ein möglichst geringer Stromverbrauch eine der Schlüsselanforderungen an IoT-Knoten.

Pfiffige Detaillösungen verbessern Flash-Speicher

Herausforderungen, für die Speicherspezialist Adesto eine passende Antwort entwickelt haben will: FusionHD. Was Adestos nichtflüchtigen FusionHD-Speicher von der Masse an Standard-NOR-Speicher abhebt, sind Detailverbesserungen, die einzelne Problemstellungen der IoT-Zielapplikationen geschickt adressieren und im Zusammenspiel letztlich eine deutlich verbesserte Gesamt-Performance ermöglichen sollen. Dazu zählen Active IRQ, Small-Page-Erase-and-Write-Architektur, flexibler SRAM-Puffer, ein integrierter System-Reset-Controller sowie ein integrierter Batteriezustandsmonitor.

„Wir sind ‚engineers by heart‘“, sagt Hill enthusiastisch bei der Präsentation von FusionHD in Nürnberg, „und suchen stets nach Möglichkeiten, unsere Produkte gezielt zu optimieren.“ Beispielsweise habe es Adesto geschafft, dass der neue Speicher mit einem weiten Betriebsspannungsbereich von 1,7 VCC bis 3,6 VCC zurechtkommt – und somit mit ganz unterschiedlichen Batterietechnologien. Dank integrierter Regelschaltkreise kann er direkt an die ungeregelte Spannungsquelle angeschlossen werden – separate LDOs (Low Drop-out Regulator) oder Power-FET sind nicht nötig. „In vielen Anwendungen können Entwickler auch auf einen DC/DC-Wandler verzichten, was die Stückliste verschlankt“, sagt Hill.

Seiten- statt blockweises Speichern schont die Speicherzellen

Ein Beispiel ist die neue Small-Page-Erase-and-Write-Architektur von FusionHD: Bei IoT-Anwendungen werden häufig sehr kleine Datenmengen von oft nur wenigen Bytes gespeichert. Bisherige NOR-Flashs sind jedoch oft in 4 kByte großen Blöcken organisiert, die aus 16 je 256 Bytes großen Seiten (Pages) bestehen. Selbst wenn nur wenige Bytes abgelegt werden sollen, muss zunächst der gesamte Block gelöscht werden. Dazu ist ein entsprechend großer temporärer Cache zum Zwischenspeichern der nicht zu ändernden Daten nötig. Den Löschzyklus sowie das anschließende Programmieren der 16 Seiten muss die CPU initiieren und überwachen.

„Der gesamte Prozess bremst die CPU aus, da das Schreiben von Flash-Speicher relativ viel Zeit beansprucht“, sagt Hill. Außerdem erfordere dieser Vorgang recht komplexe Software-Treiber. „Hinzu kommt, dass der Prozessor während des gesamten Vorgangs nicht in den Low-Power- oder Sleep-Modus wechseln kann.“ Sowohl Flash als auch CPU würden daher Strom verbrauchen.

Unabhängiges SRAM als Datenpuffer vermeidet unnötige Schreibzyklen

Mit seiner neuen Architektur soll FusionHD die CPU deutlich entlasten: Laut Adesto verfügt FusionHD über einen internen flexiblen SRAM-Schreib-/Lesepuffer. Dieser entkoppelt das interne Flash-Speicherarray von der externen Speicherbusgeschwindigkeit und soll die Anzahl der Schreibvorgänge auf das Flash-Array drastisch reduzieren. Demnach können Daten modifiziert und geschrieben werden, ohne gleich einen Programmierzyklus im Flash auszulösen.

Nach dem Aufbereiten der Daten reicht ein Befehl, um 256 Bytes aus dem Puffer ins Flash zu schreiben. „Der automatische Prozess benötigt keinerlei Intervention der CPU“, erklärt Hill. Diese könne andere Aufgaben abarbeiten oder in den Schlafmodus wechseln und Energie sparen. Sobald der Speicherprozess abgeschlossen ist, sendet FusionHD einen Interrupt (IRQ) an den Prozessor. „Das Beschreiben kleinerer Speicherbereiche schont die Speicherzellen, spart Strom und erhöht das Tempo“, sagt Hill. Umgekehrt sei aber auch das Speichern und Abrufen großer Datenpakete mit minimalen CPU-Taktzyklen möglich, was die Verarbeitungszeit und den Batterieverbrauch reduziert.

Demo-System zeigt Leistungsfähigkeit der FusionHD-Lösung

Laut Adesto arbeitet Fusion HD mit einer Taktrate des Serial Peripheral Interfaces (SPI) von bis zu 104 MHz. Darüber hinaus beherrscht es auch die Kommunikation über QSPI und ermöglicht direkte Code-Ausführung (Execution in Place, XiP) der Host-MCU im Flash. FusionHD unterstützt das neue „Serial Flash Reset Signaling Protocol“ (JESD252) und die neueste Version des SFDP-Standards (JESD216D). Diese Standards erleichtern das entwickeln intelligenter, effizienter und benutzerfreundlicher Geräte.

Mit einer Demonstration veranschaulicht Hill das Potenzial von FusionHD. Dazu hat er ein einfaches System aufgebaut, das in einer Testsequenz 16 Bytes große Datenblöcke 320-mal in den Flash-Speicher schreibt. Dabei misst es die dafür benötigte Zeit und Energie. Während der Vorgang mit handelsüblichem Standard-Flash knapp 19 Sekunden dauert und etwa 185 mJ benötigt, reichen FusionHD 3,2 Sekunden und 55 mJ. „FusionHD ist rund 5x schneller und benötigt etwa 70 Prozent weniger Energie“, freut sich Hill.

Neue Security-Funktionen machen FusionHD-Flash fit für Industrieanwendungen

„Als wir die ursprüngliche NV-Speicherfamilie Fusion vor fünf Jahren vorgestellt haben, trugen ihr neuartiges Design und ihr extrem stromsparender Betrieb dazu bei, die Akkulaufzeit in einer neuen Generation von Produkten wie Bluetooth-LE-fähigen Consumer IoT-Geräten zu verlängern“, blickt Hill zurück. „Fusion wurde schnell zu unserer am schnellsten wachsenden NVM-Familie.“ Die neue Generation FusionHD soll die Erfolgsgeschichte für anspruchsvolle Anwendungen beispielsweise in der Industrie (etwa Smart Contrete, Smart Building) oder auch im eHealth-Bereich fortschreiben.

Dazu sollen auch die integrierten Sicherheitsfunktionen beitragen. So hat jeder FusionHD-Chip eine eindeutige Seriennummer mit einer Länge von 128 Bytes. Ein weiteres Security-Feature ist ein einmal beschreibbares Benutzer-OTP-Sicherheitsregister (One-Time Programmable), das etwa zum Speichern von Schlüsseln auf Systemebene verwendet werden kann. Adesto bietet seine Lösungen als Standardprodukte, Application-Specific Integrated Circuits (ASICs) und IP-Cores an.

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