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Abastecimiento de memorias Flash

Cómo abordar los desafíos que conlleva el abastecimiento de memorias Flash

Las dificultades de abastecimiento en la industria electrónica no son nuevas. Cada año, desastres naturales como tifones, huracanes y terremotos afectan al sector de la fabricación y montaje de semiconductores en todo el mundo. Mientras se evalúan los costes humanos y los equipos de respuesta se encargan de proporcionar apoyo y ayuda, los equipos de compra y venta tienen que colaborar para determinar la cuantía del impacto comercial. Debido al gran especialización de cada planta de fabricación, a menudo solo determinados dispositivos de semiconductores o de embalajes se ven afectados. La solidez de la cadena de suministro es tal, que los que proveen componentes mediante distribuidores a vez no sienten estos efectos. Sin embargo, desde la llegada del coronavirus a principios de 2020 y la introducción de iniciativas para combatir su propagación, se han producido una serie de reacciones en cadena que han afectado el suministro de semiconductores de forma notable.

¿Por qué se ha producido esta falta de suministro?

Al introducir restricciones para limitar el contacto entre personas, muchas empresas de fabricación se vieron obligadas cerrar temporalmente. Al mismo tiempo, se redujo la demanda de productos de gama alta, como productos privados y comerciales, ya que los consumidores empezaron a tener en cuenta la incertidumbre económica. Las industrias afectadas por estos cambios cancelaron encargos de semiconductores. Al mismo tiempo, mientras todo el mundo aprendía y trabajaba desde casa, la demanda de productos como tabletas, monitores y ordenadores portátiles se disparó. Los proveedores de semiconductores llevaron al límite su capacidad de producción con estos nuevos encargos para responder a tal demanda. A medida que las restricciones impuestas por los confinamientos se relajaban, se produjo un situación en la que los encargos cancelados volvían a enviarse a las fábricas que ya estaban operando al máximo de su capacidad. Normalmente se necesitan varios meses para producir dispositivos semiconductores complejos, así que el proceso de producción de obleas no se inicia a menos que haya suficientes encargos previstos para un producto determinado. Actualmente, el sector está esforzándose en priorizar la fabricación a fin de satisfacer a tantos clientes como sea posible, pero aún así, no es posible abastecer a todos.

Esto ha llevado a los equipos de compras y a los ingenieros de diseño a colaborar para evaluar estrategias de mitigación adecuadas. Los dispositivos semiconductores altamente especializados, como los microcontroladores y las soluciones analógicas avanzadas, son difíciles de reemplazar. Sin embargo, las memorias Flash, con sus pinouts e interfaces estandarizados, parecen ser un intercambio menos complicado, al menos en teoría. Sin embargo, como siempre, las dificultades se esconden en los pequeños detalles, y si un dispositivo de segunda fuente no se aprueba durante el proceso de desarrollo, es poco probable que una mera sustitución de dispositivos baste. Incluso si una memoria Flash alternativa funciona al primer intento, puede haber problemas ocultos que induzcan fallos prematuros en el campo a causa de un desgaste mayor del esperado.

SLC NAND

SLC NAND Flash, disponible con interfaces en serie y paralelas, proporciona un nivel de compatibilidad entre proveedores relativamente elevado. A nivel físico, la colocación de pins y paquetes debería ser el mismo, aunque la soldabilidad y la idoneidad de los carretes para el equipamiento de colocación aún tendría que revisarse. A nivel de interfaz hardware, Serial NAND usa SPI. Debido a las distintas formas de las que se puede implementar la interfaz en microcontroladores (MCU) y sistemas en chips (SoC), se debería construir una configuración de prueba básica para garantizar el acceso a la memoria flash. Lo mismo ocurre con la memoria Flash NAND paralela, en la que la sincronización de las señales puede requerir un ajuste usando registros internos de MCU o SoC.

Y esto nos lleva al siguiente desafío, que es el software. Si el código de aplicación ha seguido buenas prácticas con los controladores de nivel bajo al gestionar la interfaz, y con los controladores de nivel alto al gestionar los detalles específicos de la memoria externa y el sistema de archivos, cualquier cambio que se produzca en el código deberá ser razonablemente sencillo. Los ajustes pueden requerir que se añada apoyo a registros adicionales o que se cambie el código para soportar una implementación de registro completamente distinta. Dispositivos como la interfaz en serie NAND de Kioxia cuentan con un soporte de código de corrección de error de hardware (ECC) que se puede activar o desactivar. La configuración por defecto del ECC activado, o el método concreto para desconectarlo, puede no coincidir con el del dispositivo que se va a sustituir. Dispositivos como el BENAND™ de Kioxia han integrado un ECC capaz de realizar correcciones de error de 8 bits y detecciones de error de 9 bits. Sin embargo, el SLC NAND paralelo del último nodo tecnológico de 24 nm de Kioxia se basa en un procesador host para generar un ECC de 8 bits para cada bloque de memoria de 512 bytes.

Cuando se detectan 5 o 6 bits erróneos, el firmware se encarga de reescribir el bloque íntegro. Cabe decir que este proceso aumenta el desgaste de la memoria incluso cuando no se ha ejecutado ninguna operación de escritura a nivel de aplicación en el software. El equipo de ingeniería tendrá que comparar detalladamente las fichas de datos de las memorias Flash elegidas inicialmente con la solución de reemplazo a fin de entender cómo estas escrituras de memoria adicionales afectarán a la vida útil del almacenamiento flash.

Flash gestionado: e-MMC y UFS

Gracias al más elevado nivel de estandarización en el mundo de los dispositivos flash gestionados, cambiar de proveedores para el almacenamiento de e-MMC y UFS resulta algo más sencillo. El estándar JESD84-B51A de JEDEC, versión 5.1a, define las características y la interfaz eléctrica de la e-MMC. Llegada al mercado en 2019, no se piensa que vaya a sufrir más cambios en el futuro, lo que reduce la probabilidad de que haya problemas de interoperabilidad física entre los SoC y el almacenamiento.

Los dispositivos de e-MMC ofrecen registros de ciclo de escritura y eliminación separados para sus bloques «aumentados» (pSLC) y «normales» (MLC/TLC). Sin embargo, estos registros de «estado de salud» solo aumentan en pasos de 10 %, lo cual no es muy granular.

Además, esta información solo proporciona orientación en cuanto a la salud de la memoria. Leer «100 % usado» en este registro no significa que el dispositivo Flash no funcione, de la misma forma que un neumático de una marca barata no indica que vaya a producirse un accidente. Simplemente indica que el desastre es más probable.

El UFS es más moderno y cuenta con el estándar JESD220E de JEDEC, también conocido como versión 3.1, disponible desde principios de 2020. Gracias a su rendimiento, notablemente mayor, este se ha establecido rápidamente como la opción de almacenamiento predilecta en móviles y está ganando cuota de mercado en el sector de la automoción (figura 1). En un momento en que los desarrolladores desean obtener más información del estado de su almacenamiento para mejorar la experiencia del usuario, se espera que el estándar siga actualizándose para responder a estas necesidades.

aplicaciones de automocion
Figura 1: UFS se está convirtiendo en la alternativa predilecta a e-MMC en móviles y aplicaciones de automoción gracias a su rendimiento superior.

Aunque un intercambio físico inicial de medio de almacenamiento Flash puede generar buenos resultados, es necesario entender cómo gestiona los datos el controlador interno. Mientras que la aplicación solo puede ejecutar una cantidad determinada de escrituras de datos, el controlador Flash puede provocar la eliminación de datos adicionales y escrituras de páginas al intentar reorganizar espacio muerto no utilizado (figura 2). La disparidad entre escrituras de aplicación por el SoC host y las escrituras realizadas en las células flash brutas se conoce como Write Amplication Factor (WAF). Un WAF perfecto sería 1, pero un buen valor objetivo para una aplicación típica es 4 (figura 3).

controlador flash
Figura 2: El controlador Flash elimina a nivel de bloque y escribe a nivel de página para despejar espacio muerto inutilizado, lo que produce una disparidad entre las células Flash y las escrituras de aplicación.
procesador host
Figura 3: La diferencia entre los datos escritos en la memoria Flash por el procesador host y el número de escrituras en las celdas de la memoria NAND realizadas por el controlador Flash se define como WAF.

La forma exacta en que las escrituras del host se traducen en escrituras de celda Flash depende del proveedor de almacenamiento Flash. Así pues, mientras que la carga de trabajo puede haber sido evaluada durante la adquisición de la solución original de almacenamiento Flash, el proceso de análisis deberá repetirse con el proveedor del nuevo dispositivo elegido.

Busque apoyo y obténgalo rápidamente

Debido al alto nivel de compatibilidad a nivel de pin y de paquete, y a una estandarización o similitud en la interconexión de almacenamiento Flash, se puede asumir rápidamente que proporcionar un dispositivo alternativo será sencillo. Sin embargo, la realidad es muy distinta. La estandarización simplifica el proceso notablemente, pero es preciso entender las diferencias sutiles de hardware, que no siempre son visibles en las fichas de datos del dispositivo. En caso de que en el futuro se produjeran problemas de suministro, se recomienda encarecidamente acudir a los proveedores de Flash para hablar sobre sus necesidades lo antes posible. Los equipos de ingeniería podrán analizar rastros de carga de trabajo y dar orientaciones sobre los cambios necesarios a la hora de cambiar proveedores de dispositivos de almacenamiento. Además, los equipos comerciales también pueden aconsejarle sobre los plazos de entrega. Dado que el tiempo de fabricación del almacenamiento Flash dura meses, los proveedores agradecerán tener información anticipada sobre sus demandas para asegurarse de que recibe los productos que desea cuando los necesita.