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I dispositivi medici non sono immuni dalle ultime opportunità di apprendimento automatico, ma i componenti esistenti non sempre soddisfano le nuove esigenze ingegneristiche, motivo per cui la serie Page EEPROM della ST sta riscontrando successi di progettazione nel settore sanitario. In parole povere, la nuova architettura di memoria ibrida combina la robustezza e l’efficienza energetica di una EEPROM con la velocità e la capacità della memoria flash. Attualmente offriamo moduli con otto volte più spazio di archiviazione rispetto alla EEPROM per raggiungere fino a 32 Mbit mantenendo il tempo di scrittura a circa 2 ms, che è circa la metà di quello di una EEPROM. Vediamo quindi cosa può apportare un modulo del genere a un prodotto altamente vincolato come un apparecchio acustico retroauricolare (BTE) e altro ancora.
Vincoli oggi
Il caso dell’apparecchio acustico
Un documento finanziato dal Ministero federale dell’Istruzione e della ricerca tedesco e presentato alla 48a conferenza europea sui circuiti a stato solido nel 20221 ho esaminato una versione moderna dell’apparecchio acustico BTE. I ricercatori hanno utilizzato un SoC Bluetooth e un DSP per elaborare l’audio. Lo scopo era quello di creare qualcosa di abbastanza piccolo da poter essere utilizzato in contesti clinici per lunghi periodi pur avendo le capacità computazionali per provare nuovi algoritmi. Il fatto che gli autori menzionino specificamente l’esplorazione delle reti neurali come motivo alla base del loro articolo sottolinea ulteriormente la necessità di portare l’apprendimento automatico in questo settore.
I limiti di memoria di oggi
Tuttavia, gli scienziati hanno riscontrato un limite piuttosto importante, comune a molti settori: la capacità di memoria. I ricercatori hanno utilizzato 2,5 MB di memoria per i dati e 375 KB per le istruzioni. Il problema ovvio è che anche le reti neurali più piccole avranno bisogno di molto di più. Tuttavia, l’aumento della capacità non può comportare un compromesso in termini di robustezza o consumo energetico complessivo. In questo caso, la zona dietro l’orecchio rappresenta il limite maggiore e il contatto diretto con la pelle del paziente impedisce qualsiasi aumento della dissipazione del calore. Di conseguenza, un aumento significativo della capacità di memoria non può derivare solo dai dispositivi esistenti ma richiede una nuova architettura di memoria.
Una maggiore capacità apre anche la porta a nuovi livelli di efficienza. In questo caso, invece di avere moduli esterni ed interni, gli ingegneri possono creare un pool di memoria in grado di soddisfare tutte le loro esigenze. È una pratica sempre più comune nei sistemi embedded perché offre molti vantaggi. Tra le altre cose, aiuta a semplificare i progetti, riducendo i tempi di sviluppo e la distinta base. Aiuta anche a ottimizzare l’accesso alla memoria per prestazioni migliori. Infine, le aziende riducono significativamente il rischio di carenze o problemi di spedizione poiché hanno bisogno di un solo modulo. Poiché la disponibilità della memoria può essere soggetta a elevata volatilità, fare affidamento su un modulo semplifica il processo di approvvigionamento e qualificazione.
Architetture domani
La necessità di pagine di memoria
Nella sua forma più semplice, tutte le informazioni digitali oggi assumono la forma di zero e uno e ogni valore è memorizzato in un bit, che rappresenta l’unità di elaborazione più elementare.2. Per ragioni storiche, oggi le strutture di memoria impiegano 8 bit per formare un byte. In una EEPROM tradizionale, l’architettura fornisce precisione a livello di byte, che garantisce una granularità senza pari. Tuttavia, le operazioni di cancellazione e scrittura richiedono più tempo. Inoltre, l’architettura a livello di byte di una EEPROM standard implica un die più grande. Di conseguenza, limita la capacità complessiva possibile in un piccolo componente, il che spiega perché è difficile aumentare significativamente la capacità della EEPROM tradizionale.
Per rimediare a questo, l’industria ha da tempo adottato il concetto di parole, che raggruppano byte, e di pagine, che raggruppano insieme le parole. Grazie a questo sistema, un controller di memoria può cancellare più celle contemporaneamente, accelerando così il processo a scapito della flessibilità a livello di byte. Ad esempio, la flash seriale ha tradizionalmente una dimensione di pagina di 256 byte. Inoltre, la memoria è organizzata in settori, ovvero il blocco di memoria standard che il controller può cancellare contemporaneamente. Nella maggior parte dei flash seriali di dimensioni paragonabili alla nostra Page EEPROM, la dimensione del settore è 4 KB. Grazie a questa struttura è possibile realizzare trafile notevolmente più piccole. Tuttavia, gli ingegneri perdono la flessibilità della EEPROM a livello di byte.
La necessità di un’architettura ibrida
La EEPROM di pagina è unica perché mentre utilizza parole da 16 byte e pagine da 512 byte per migliorare prestazioni e capacità, consente anche la granularità a livello di byte grazie a un sistema di gestione intelligente delle pagine. Più precisamente, il controller di memoria è in grado di eseguire operazioni di scrittura a livello di byte per ottimizzare determinati processi come la registrazione dei dati, offrendo allo stesso tempo operazioni di cancellazione e programmazione efficienti per gli aggiornamenti del firmware. Di conseguenza, adotta una struttura ibrida per mantenere la flessibilità di una EEPROM tradizionale pur presentando la capacità e la velocità della flash. L’architettura ST controlla inoltre una firma del codice di correzione degli errori (ECC) a 17 bit dopo ogni parola per migliorare l’affidabilità complessiva, consentendo così la correzione di 2 bit all’interno di parole da 16 byte.
Pagina EEPROM: vantaggi ora
Basso consumo energetico di 500 µA
Come spiegato in precedenza, il consumo energetico è una questione centrale per molti dispositivi indossabili, come gli apparecchi acustici BTE. Nelle operazioni reali, la EEPROM di pagina necessita di circa 500 µA durante la lettura dei dati, ovvero circa cinque volte meno di una flash seriale, e il suo picco di corrente elettrica è inferiore a 1 mA, il che significa meno componenti passivi. Inoltre, la Page EEPROM della ST è dotata di un sistema di controllo del picco di corrente per mantenere il consumo sempre al di sotto di 3 mA. In confronto, un flash seriale presenta spesso picchi di corrente elevati che portano ad ampie variazioni nel consumo energetico. Per quanto riguarda le operazioni di scrittura, la Page EEPROM necessita di meno di 2 mA, che sono addirittura inferiori ai 3 mA di alcune EEPROM.
Concretamente, i livelli di consumo energetico garantiti dalla Page EEPROM della ST consentono agli ingegneri di lavorare con batterie e PCB più piccoli per adattarsi ad applicazioni con maggiori vincoli di spazio. Infatti, 500 µA durante la lettura dei dati e meno di 1 mA nel picco di corrente significano che, rispetto a un flash seriale, un progettista può utilizzare una batteria molto più piccola o utilizzare la stessa batteria per molto più tempo. Inoltre, poiché il picco di corrente più piccolo significa meno componenti passivi, il PCB può ridursi, il che significa anche una batteria più grande nello stesso case o un design complessivamente più piccolo. Queste sono considerazioni critiche per gli apparecchi acustici BTE che non erano possibili fino alla pagina EEPROM.
Elevata velocità di trasmissione dati di 320 Mbit/s
Come spiegato, l’architettura delle pagine della nuova memoria della ST migliora le prestazioni complessive. Rispetto ai 20 Mbit/s di una EEPROM Vanilla, la EEPROM Page ha un clock di 320 Mbit/s nelle operazioni di lettura. Di conseguenza, un microcontrollore può scaricare il proprio firmware dalla EEPROM della pagina in un tempo notevolmente inferiore. Inoltre, la nostra memoria include una funzione di caricamento del buffer in grado di programmare più pagine contemporaneamente, aggirando così alcuni colli di bottiglia inerenti al protocollo SPI. In termini pratici, significa che l’utilizzo della funzionalità di caricamento buffer può accelerare drasticamente la programmazione di centinaia di migliaia di dispositivi, riducendo così i costi di produzione complessivi. Anche il tempo di accesso alla memoria è significativamente più veloce con un tempo di risveglio di 30 µs.
Elevata resistenza di 500.000 cicli
La EEPROM pagina supporta 500.000 cicli di lettura-scrittura per pagina nell’intero intervallo di temperature (da -40 ºC a +105 ºC), che è circa cinque volte migliore di una flash seriale. Una EEPROM tradizionale ha una durata maggiore, ma abbiamo anche scoperto che le velocità attuali sono più che accettabili per gli integratori poiché la EEPROM di pagina, proprio come quella standard, è qualificata per un miliardo di cicli cumulativi sull’intera capacità di memoria. Infatti, poiché il dispositivo ST ha una maggiore capacità, gli sviluppatori possono distribuire l’usura su più celle, prolungandone così la durata. In effetti, molti dispositivi medici, come gli apparecchi acustici, utilizzano già con successo il flash seriale. La durata della nostra Page EEPROM rappresenta quindi un miglioramento, non una regressione.
Prossimi passi
Il modo migliore per iniziare con una EEPROM di pagina è prendere la nostra scheda di espansione X-NUCLEO-PGEEZ1 e scaricare il pacchetto X-CUBE-EEPRMA1. Il pacchetto software fornisce un’applicazione demo che utilizza la scheda come soluzione di archiviazione esterna, mostrando così come leggere e scrivere da essa. È un modo rapido per imparare a utilizzare un’interfaccia SPI singola, doppia o quadrupla per interagire con la EEPROM della pagina per eseguire una prova di concetto o testare l’architettura ibrida. La ST fornisce anche documentazione tecnica per comprendere meglio l’architettura della memoria o acquisire familiarità con la resistenza ciclistica, tra le altre cose.
Per ulteriori informazioni visitare: https://blog.st.com/page-eeprom/
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