A jelenlegi impresszív és folyamatos bővülés ellenére a vezeték nélküli kommunikációra kihegyezett, beágyazott rendszerek technikai korlátok miatt még messze nem érték el teljesítőképességük csúcsát. Ezek egy része az akkumulátoros tápellátás, memóriakövetelmények, biztonsági megfontolások és megbízhatóság egyikére vagy többségére vezethető vissza. E problémákra jó megoldást kínál a memóriatechnológiai fejlesztések egyik legfiatalabb vívmánya, a beágyazott, ferroelektromos, véletlen hozzáférésű memória, vagyis a FRAM, amely kiváló kulcs a felsorolt problémák megoldásához, ill. enyhítéséhez. A mai, vezeték nélküli szenzorhálózatokon a feldolgozás inkább elosztott, mint központosított, amely az energiafogyasztás csökkentése miatt fontos. Cikkünkben sorra vesszük az idevágó tervezési kihívásokat, és bemutatjuk, hogy a FRAM miért és milyen formában ad egyedi előnyöket a fejlesztőknek a beágyazott, vezeték nélküli kommunikációs alkalmazásokban.
Mi az a FRAM?
A FRAM, a DRAM-hoz hasonlóan, lehetővé teszi minden, általa tárolt bit véletlenszerű hozzáférését, olvasásra és írásra egyaránt. A FRAM a többi, külön tokozott memóriaáramkörhöz képest több, könnyen azonosítható előnnyel is bír. Az EEPRPOM-tól vagy flash ROM-tól eltérően a FRAM-hoz nincs szükség töltéspumpára, speciális írási szekvenciák vagy nagyobb programozási feszültség használatára. A FRAM ráadásul nemfelejtő tulajdonságú memória, így a tápfeszültség eltűnése esetén sem kell tartani a tárolt adatok elveszítésétől. E jellemzők kombinációja a flash ROM-okhoz képest bitenként mintegy 250-szer kisebb teljesítményfogyasztást eredményez, a flash ROM-ra jellemző cellaelfáradás nélkül.
Bár a külön tokozott FRAM egy ideje már elérhető a piacon, alkalmazását leszűkítették az általános adattárolási felhasználásra. Egy nemrégiben történt fejlesztés következtében a FRAM-ot házasították a mikrokontrollerrel, amely lehetővé teszi újszerű alkalmazások millióinak elérését a technológia számára. Az FRAM-mal integrált mikrokontrollerekkel a technológia minden előnye kiaknázható, hiszen univerzálisan használható, valóban keveset fogyasztó, rugalmas, hosszú távon is nagy állóképességű és megbízhatóságú megoldást kapunk memóriás adattárolásra, amely kulcsfontosságú a nagy teljesítményű, vezeték nélküli kommunikációs, beágyazott rendszerek számára.
A beágyazott FRAM előnyei:
- ultraalacsony fogyasztás nagy teljesítmény mellett olvasás és írás alatt,
- valódi egyesített memória, amely konfigurálható flash ROM-ként és RAM-ként is,
- csúcskategóriás olvasási és írási adatsebesség,
- gyakorlatilag korlátlan írási állóképesség (1015 ciklus),
- felépítéséből adódó robusztusság és sugárzásállóság.
Tervezés szabadon
A vezeték nélküli kommunikációt fejlesztési szempontból a szabadság jellemzi, amely kiterjed a rádiós paraméterekre (pl. frekvencia, sávszélesség, kimeneti teljesítmény stb.) és hálózati paraméterekre (pl. hálózati topológia és működés, csomagdefiníció, protokollspecifikus megfontolások stb.) is, hiszen ezek szükséges alapfeltételei a tervezésnek, mivel a piac megköveteli. Ha különböző, vezeték nélküli hálózatok specifikus követelményei szerint tervezünk, a variációk jelentősen módosíthatják a követelményeket, különös tekintettel a szoftver tárolására is használt memóriát illetően.
Még a szabványosítótestületek gondozása alatt álló protokollok esetében is (mint pl. a WiFi, Bluetooth vagy az NFC) ugyanazon protokoll adott implementációja a memóriakövetelmények tekintetében jelentősen eltérhet egymástól bizonyos esetekben, a támogatott funkciók és/vagy a kiválasztott mikrokontroller-platform függvényében. A hagyományos flash-memória a fejlesztést csak bizonyos számú eszközre és memóriakonfigurációra korlátozza, a mikrokontroller választásában a szabadságot az adattárolásra vonatkozó követelmények korlátozhatják. A programkódban véghezvitt nagyobb változtatásokat ez a megközelítés nem igazán jól tolerálja, nyilvánvaló okokból kifolyólag.
A FRAM befogható klasszikus adattárolási és operatív memóriaként (RAM) történő használatra is, amely rendkívül nagy rugalmasságot és egyszerű memóriakonfigurációs lehetőséget ad arra, hogy az alkalmazások egyedi igényeinek megfelelővé varázsoljuk fejlesztésünket. Ahelyett, hogy eltérő eszközöket kellene választanunk, a FRAM használatánál elegendő lehet csupán paramétert változtatni, jelentősen leegyszerűsítve többek között az eszközkészletezést is. Hasonlóképpen ugyanaz a mikrokontroller-platform felhasználható többféle vezeték nélküli protokoll támogatására is. Ez különösen fontos az intelligens közműhálózatok és kiskészülékek esetében, amelyek már a közeli jövőben kommunikálni fognak az intelligens épületekkel.
A hatékonyabb, intelligens épületek és közműhálózatok szolgálatában
Az intelligens közműhálózat lényege, hogy vezeték nélküli kommunikációs technológiával hatékonyan elkülönítik és monitorozzák az elektromos energia használatát, amely információt mind a fogyasztó, mind a közműszolgáltató rendelkezésére bocsátanak, a hatékonyabb és tudatosabb energiafelhasználás elősegítésére. Ahogy a digitális kommunikációt támogató közműhálózat bővül, óhatatlanul nőni fog az igény arra is, hogy szintén vezeték nélkül információt továbbítsunk az intelligens kiskészülékek, vezérlők és egyéb interfészek között, méghozzá energiatakarékos módon.
Gazdasági szempontból az egyik legfőbb érv a kommunikáló, intelligens közműhálózatok mellett a közműszolgáltatók lehetősége az átállásra a havi bontású számlázásról az energiafelhasználás pillanatnyi idején alapuló számlázásra, vagy akár dinamikus árazás bevezetésére, amely elősegítheti a fogyasztási csúcsok elkerülését is. Jelenleg ez még túlságosan összetett és megvalósíthatatlan, hiszen nélkülözhetetlen részük az igen memóriaigényes referenciatáblázatok sokasága.
Továbbá: a vezeték nélküli kommunikációs technológiák nyíltsága természetéből adódóan igen sebezhetővé teszi őket a támadásokkal szemben. Ez azt jelenti, hogy a vezeték nélküli kommunikációt támogató, intelligens közműhálózatok megfelelő védettségének biztosítása alapvető és kulcsfontosságú. Ennek egyik alapfeltétele a tervezés, rugalmasság, amely lehetővé teszi, hogy a rendszerfejlesztők akár valós időben tudják hibajavításaikat implementálni a hálózati elemekben. A biztonságos írást támogató, alacsony fogyasztású, nagy állóképességű és hosszú távon megbízható FRAM-ok ideális megoldást biztosítanak erre a feladatra.
További érv a FRAM mellett, hogy alkalmazásával a költségek is csökkenthetők. Manapság e rendszerek többnyire tartalmaznak külön áramkörben nemfelejtő memóriát, akár FRAM vagy EEPROM formájában. Ez fizikailag lehet a mikrokontrollerbe ágyazott FRAM is (lásd pl. a Texas Instruments-féle MSP430FR57xx-sorozatot), amely energiagazdálkodásilag alighanem a legjobb megoldás.
A FRAM a felépítéséből adódó fizikai tulajdonságai miatt sok olyan jellemzővel bír, amely miatt ideális nagy biztonságú alkalmazásokhoz. A lényegében végtelen írási ciklust elviselő FRAM-nál a titkosítás az adott termék tervezett élettartama teljes egésze alatt zavartalanul történhet anélkül, hogy egyáltalán felmerülne a memória-áramkör csődöt mondásának gondolata. Az alacsony energiaigényű és gyors írás biztosítja az adatok hozzáférhetetlenségét, a chipek fizikai felbontása és az FRAM molekuláinak kiolvasása adatnyerési célból pedig eleve teljes képtelenség. Ezek révén az intelligens épületekadatvédelmi szempontból is igen biztonságosak .
Végezetül az alacsony energiaigény biztosítja azt is, hogy ezek a rendszerek zártak legyenek és maradjanak egész életciklusukon át. A FRAM-os szenzorhálózati csomópontok tekintélyes része teljesen karbantartásmentes, vagy szükség esetén igen egyszerűen cserélhető, elkerülhetők tehát a költséges és körülményes elemcserék. Ez elősegíti az intelligens épületek üzemeltetési költségeinek csökkentését és egyúttal a különböző környezeti feltételek elviselését.
Összefoglalás
Az univerzális memóriát félvezetőipar-szerte igen nagyra tartják, és hosszas várakozás után végre bekövetkezett a FRAM mikrokontrolleres, beágyazott implementálása. Ezek a mikrovezérlők alacsony energiafelhasználású, rugalmas, teljes életciklusukban igen nagy teherbírású, kimagaslóan biztonságos eszközök. E jellemzők mindegyike rendkívül fontos szempont a vezeték nélküli kommunikációt támogató, beágyazott hálózatok fejlesztői számára, és jelentősen hozzájárulnak a vezeték nélküli rendszerek sikeréhez és gyors terjedéséhez.
A témában érdekelt fejlesztők a Texas Instruments kínálatából a Farnell és az element14 oldalain rögtön elérhetik a legjobb eszközöket, karöltve természetesen a vonatkozó műszaki dokumentációkkal.
