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La evolución de las aplicaciones en tiempo real requiere nuevas tecnologías de memoria

Estamos empezando a observar la aparición de diversas tecnologías que darán lugar a cambios importantes relacionados con el diseño de los sistemas integrados en tiempo real. Entre ellas se incluyen el Internet de las cosas (IdC), la inteligencia artificial (IA) y la realidad aumentada (RA). El hilo conductor de todas ellas es un enfoque más centrado en el uso de sistemas distribuidos, sumado a la necesidad de un alto rendimiento para tratar los datos que generan y consumen. Existen factores que ejercen presión para aprovechar de diferentes formas la ingeniería de los dispositivos en tiempo real que emplean dichas tecnologías. Los dispositivos periféricos, como las pasarelas y los nodos de sensores IdC, requieren un funcionamiento con el mínimo consumo de energía, aunque este no es el único ámbito que precisa de eficiencia energética. A pesar de su dependencia de gráficos de alto rendimiento y de su capacidad de respuesta al movimiento, los sistemas compatibles con RA (como las pantallas de visualización frontal para operarios de maquinaria) también deben conservar la mayor cantidad de energía posible para proteger la vida útil de la batería y evitar que los monitores en forma de visor se calienten de forma molesta. De igual modo, los versátiles robots basados en IA deben ser capaces de operar sin estar cerca de la red eléctrica.

El procesamiento distribuido permite migrar el trabajo computacional intensivo a la nube para, de este modo, descargar los sistemas integrados. No obstante, la naturaleza en tiempo real de estas aplicaciones requiere una latencia baja. Aplicaciones como el control del movimiento y RA se ven afectadas si el tiempo de espera entre la entrada y la respuesta es demasiado largo. Esta cuestión está dando lugar a la implementación de servidores de computación periféricos o cloudlets, es decir, servidores blade eficientes ubicados relativamente cerca de los propios dispositivos periféricos. Para dar apoyo a las aplicaciones en tiempo real, estos cloudlets pueden aprovechar los cambios en la tecnología de memoria para adaptarse mejor a la naturaleza en tiempo real de los clientes a los que prestan servicio con respecto a los diseños de servidores tradicionales. Históricamente, los ingenieros se han visto forzados a elegir entre rendimiento y persistencia al diseñar memorias masivas en sistemas informáticos en tiempo real. La memoria DRAM es una solución rentable, aunque volátil, que permite almacenar grandes cantidades de datos cerca del procesador. Para evitar la pérdida de información por problemas relacionados con la energía, que es más probable que se produzcan en nodos periféricos, los datos deben copiarse a menudo en almacenamientos per sistentes, cuyos tiempos de acceso suelen ser mucho más lentos.

El cambio de las unidades de disco giratorias a una memoria flash para aplicaciones de mayor tamaño ha contribuido de forma significativa a acelerar los tiempos de acceso de lectura. No obstante, el uso de una memoria flash sigue presentando contratiempos en términos de rendimiento de escritura. La eliminación y la reescritura de datos desde y hacia una memoria flash conllevan varios ciclos, durante los cuales se transmiten impulsos de alta tensión a las celdas de memoria específicas, lo que supone un gasto tanto de tiempo como de energía que los diseñadores de sistemas no quieren permitirse. En la actualidad, están apareciendo tecnologías de memoria de última generación que superan las demoras de escritura y las exigencias de energía de las memorias flash.

Estas tecnologías incluyen una memoria ferroeléctrica, una memoria de cambio de fase (PCM), una memoria de acceso aleatorio magnética (MRAM) y una memoria de acceso aleatorio resistiva (ReRAM). A medida que estén disponibles los dispositivos basados en estos conceptos, los ingenieros podrán considerar su uso en nuevas jerarquías de memoria que optimizan el coste, aumentan la resiliencia y mejoran la capacidad de respuesta en tiempo real. PCM ya se propuso como posible material de memoria en los años 70. Se basa en el mismo grupo de materiales calcogenuros que los que se utilizan en los discos ópticos reescribibles. Una característica útil de los calcogenuros es la forma en que reaccionan al calor. Los impulsos eléctricos de alta intensidad funden el material. Si se dejan enfriar rápidamente, adquieren un estado amorfo resistivo. No obstante, el estado amorfo puede pasar a una forma cristalina con una conductividad mucho mayor mediante la aplicación de una pequeña cantidad de calor. Gracias a este cambio en las propiedades, los circuitos de lectura pueden interpretar la diferencia de resistividad entre las celdas mediante la representación de unos y ceros. Aunque su comportamiento es similar al de las memorias PCM y ponen en práctica el mismo enfoque fundamental de cambio entre los estados de alta resistencia y baja resistencia, las memorias ReRAM utilizan materiales diferentes a los calcogenuros. Normalmente, el movimiento de iones dentro de la celda forma filamentos conductivos debido a los efectos de los impulsos eléctricos.

El restablecimiento de los impulsos afecta adversamente a estos filamentos, lo que aumenta considerablemente la resistencia. Una ventaja potencial de las memorias ReRAM es la posibilidad de elegir un gran número de materiales para su implementación, lo que permite a los fabricantes introducir memorias con diferentes niveles de resiliencia y tiempo de almacenamiento. Aunque estas memorias usan impulsos eléctricos, la carga total requerida para programar una celda es mucho menor que la que se necesita para una memoria flash. En las memorias desarrolladas en la actualidad, las memorias ReRAM requieren menos energía de escritura que las memorias PCM, pero los tiempos de escritura son similares. No obstante, la resistencia es mejor en las memorias PCM que en las memorias ReRAM, además de que actualmente las memorias PCM están por delante en términos de desarrollo. Los expertos creen que tanto las soluciones PCM como las soluciones ReRAM permitirán mayores mejoras de escala que las memorias flash a largo plazo, por lo que podrían llegar a sustituirlas por completo en última instancia. Las memorias ferroeléctricas y las memorias MRAM utilizan las propiedades del espín de los electrones para el almacenamiento.

El espín puede controlarse con muy poca energía a través de una estructura de válvula de espín similar a la que se utiliza en los cabezales de lectura de alta densidad de los discos magnéticos. En una memoria MRAM, esta válvula está compuesta por un «sándwich» de materiales montados en un acceso de interconexión vertical (VIA) que se encuentra entre dos líneas de interconexión metálicas situadas sobre la superficie de un circuito integrado (CI). La válvula altera la resistencia del acceso VIA según los estados del espín de los diferentes materiales del sándwich. Las memorias ferroeléctricas llevan disponibles varias décadas, pero en densidades relativamente bajas con respecto a las previstas para las memorias basadas en la resistencia.

La memoria ferroeléctrica requiere un condensador y un transistor montados en la capa base de la oblea. Las otras memorias están montadas en las capas de interconexión metálicas y podrían llegar a apilarse para una mayor integración. Una ventaja importante de las memorias ferroeléctricas es su uso de materiales que polarizan en dos direcciones diferentes en función del campo eléctrico aplicado. Esta polarización requiere incluso menos potencia que la necesaria para las memorias MRAM, lo que las hace adecuadas para sistemas que precisan una alta eficiencia energética. Un posible problema de todas las nuevas memorias actuales es que no ofrecen la rentabilidad y la densidad de las memorias flash, que están empezando a beneficiarse de las técnicas de fabricación 3D.

En realidad, para los cloudlets y los propios dispositivos periféricos, la densidad no es un gran problema, ya que estas memorias pueden servir de base para las cachés persistentes. Los tiempos de escritura de bajo consumo y relativamente rápidos de las nuevas memorias ofrecen a las aplicaciones la capacidad de copiar datos importantes en la caché persistente. Los objetos de datos que deben almacenarse permanentemente pueden, desde ahora, copiarse en un almacenamiento flash o en disco. No obstante, ya no es necesario transferir datos continuamente a un almacenamiento flash o en disco solo para garantizar que no se pierdan datos importantes pero transitorios. Al reiniciarse, el sistema puede recuperar su estado a partir de la combinación de datos tanto en la matriz permanente como en la persistente.

La reducción de los costes y la mejora del rendimiento pueden ayudar a las memorias MRAM, PCM o ReRAM a desbancar a las memorias DRAM y a migrar de esta forma la arquitectura a un sistema en el que solo las cachés de los propios procesadores empleen una arquitectura de memoria volátil (como en el caso de la memoria SRAM). Las tecnologías de memoria persistente no deben aislarse en cloudlets ni en sistemas de alto rendimiento. El uso de la memoria ferroeléctrica por parte de Texas Instruments en su gama de microcontroladores MSP430 es un ejemplo del impacto que puede tener en los nodos periféricos del IdC, como los sensores. Muchas aplicaciones del IdC se basan en la recolección de energía para complementar al menos una batería integrada, mientras que otras pueden prescindir por completo de la batería. El problema que plantea la recolección de energía es la fiabilidad. Existen situaciones, como la captura de energía vibratoria en maquinaria industrial de uso intensivo, donde la fuente de energía es predecible.

Pero, en muchos casos, aun utilizando un supercondensador para almacenar la energía, el sistema puede quedarse temporalmente sin energía y necesitar apagarse. Una vez suministrada suficiente energía externa, podrá reanudar sus funciones habituales. El uso de tecnología ferroeléctrica proporciona al microcontrolador la capacidad de garantizar la persistencia de los datos en caso de cortes de corriente inesperados sin incurrir en penalizaciones energéticas, incluso cuando se escriben datos en el mismo con frecuencia. Aunque el área de aplicaciones tales como IdC, IA y RA cambiará de forma radical las arquitecturas de los sistemas en tiempo real, las nuevas tecnologías de memoria podrán abordar estas exigencias adecuadamente. El desarrollo de las memorias MRAM, PCM, ReRAM y ferroeléctricas permitirá brindar a los diseños de los sistemas la capacidad de respuesta y la rentabilidad requeridas.

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