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Mejorando la experiencia del usuario con RAM IoT

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Internet de las Cosas (IoT) y las aplicaciones embebidas requieren poco a poco más memoria RAM con anchos de banda superiores, formatos más sólidos y menor consumo de energía. Por tanto, los desarrolladores tienen que responder a la pregunta de de qué manera habría de ser un módulo de memoria ideal para semejantes aplicaciones.

El punto de referencia (benchmark) de la experiencia del usuario para IoT y aplicaciones embebidas prosigue incrementando poco a poco más, demandándose más RAM con mayores anchos de banda, formatos pequeños, menor consumo de energía y, por lo tanto, menos pérdida de potencia mientras que se mantienen los costes de los componentes iguales o más bajos. Esto es especialmente cierto en aquellas aplicaciones que usan inteligencia artificial (IA) y/o aprendizaje automático (ML).

La SRAM (RAM estática) todavía es la solución RAM que ofrece las velocidades más altas y la latencia más baja y está muy cerca del procesador, pero tiene algunas desventajas. La topología de distribución 6T-SRAM frecuente no se ha reducido en la misma proporción que los nodos de proceso. La pérdida de potencia de la SRAM embebida también aumenta a medida que la CPU consume más energía. Esto supone que es cada vez más bastante difícil cumplir los requisitos de las últimas aplicaciones IoT que emplean una SRAM embebida como consecuencia de las restricciones en lo concerniente a consumo de energía y sus crecientes necesidades de RAM.

Los módulos SRAM externos asimismo demandan un elevado número de transistores, lo que incrementa los costes de memoria. Como resultado, es prácticamente imposible superar los requisitos de formato limitado.

Por su lado, los módulos DRAM (RAM dinámica) externos aún ofrecen ventajas de coste considerables sobre la SRAM. Con un solo transistor y condensador, proporcionan un desempeño comparable, lo que permite una matriz mucho más espesa. Para las aplicaciones que están conectadas de forma persistente o bien frecuente a una sola fuente de nutrición, los módulos DRAM externos pueden ser una solución aceptable. No obstante, tienen una gran cantidad de pines y sus requisitos de actualización y la complejidad cada vez mayor del routing implican que son bastante difíciles de integrar.

Los módulos SDRAM más viejos (DRAM síncrona) con densidades bajas están diseñados para nodos de proceso más maduros y su tamaño hace que no sean adecuados en sistemas sólidos y eficientes.

Esto implica la necesidad de una RAM alternativa que ofrezca alto rendimiento a menor costo y con menor consumo de energía y, al mismo tiempo, cumpla los requisitos crecientes de una experiencia de usuario de IoT completa.

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Figura 1. La RAM IoT satisface las necesidades de aplicaciones IoT/embebidas de más memoria,
menos consumo de energía y costes bajos.

RAM IoT reúne las ventajas de DRAM y SRAM

La RAM IoT se basa en tecnología RAM pseudoestática. Combina las ventajas de la DRAM—un área de superficie pequeña, unos costos de producto bajos (de hasta una décima una parte de la RAM) y una densidad diez veces superior a la de SRAM—con las de la SRAM, concretamente, alta velocidad, baja latencia y facilidad de control. Interiormente, la PSRAM usa celdas DRAM, que se componen de un transistor y un condensador, mas se comportan como una SRAM común y las interfaces SRAM usuales y relativamente simples.

La RAM IoT también ofrece interfaces flash-SPI con poca cantidad de pines utilizados por muchos MCU y FPGA. Las soluciones RAM IoT de bajo costo de AP Memory son compatibles con las interfaces SPI de la mayor parte de MCU, SoC y FPGA, incluyendo Quad-SPI (QSPI) y Octal-SPI (OSPI).

Las versiones system-in-package (SiP) de RAM IoT están especialmente indicadas en cualquier situación donde los SoC requieran más memoria de la que es posible con la SRAM interna. Las opciones SiP, en especial aquellas que utilizan “known good dies” (KGD), dotan de todos los beneficios citados gracias a la mayor memoria del sistema, lo que las transforma en “más que Moore”.

La baja latencia de RAM IoT permite un despertar (wake-up) rapidísimo desde modos con bajísimo consumo de energía, un despertar inmediato desde standby y unos tiempos de encendido rápidos. La RAM IoT funciona con un consumo de energía muy bajo, en general de 0,15 a 0,5 µA/mbit, en dependencia de la densidad de memoria.

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Figura 2. Un sistema basado en MCU típico con módulos de memoria convencionales.

Actualización interna

Fijándonos en el diagrama del MCU del ejemplo (Figura 2), los espacios para la memoria RAM y estática están creciendo de forma continua. Si se utiliza la DRAM para ello, aumenta el consumo de energía del sistema y también se requiere la integración de un supervisor de actualización (refresh).

La RAM IoT elimina la necesidad de un controlador, ya que toda la lógica de actualización de las celdas DRAM—imperceptible para el usuario—se administra internamente. Esto reduce la complejidad de las interfaces y los costos de validación que conlleva. Los sistemas basados en MCU más antiguos que todavía utilizan SDRAM se favorecen de la RAM IoT gracias al menor consumo de energía y las interfaces simplificadas (por favor, consulte la tabla).

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La ventaja de la RAM IoT sobre SDRAM y PSRAM radica en su bajo consumo y en la reducción
del número de pines. (Fuente: AP).

Reproducción de vídeo fluida en edge computing

Observando una aplicación que utiliza frame buffering, se hace evidente de qué manera la RAM externa deja experiencias de usuario superiores. El sistema no precisa acceder a una memoria no volátil más lenta con tanta frecuencia para las actividades de lectura/escritura, lo que contribuye a prosperar el desempeño del sistema en su totalidad. Esto se muestra en el conjunto de pruebas de Coremark. El usuario se beneficia de una latencia más baja, una reproducción de video más fluida y una grabación más fiable.

Las soluciones RAM IoT de AP Memory ya trabajan perfectamente con muchos de los presentes MCU, SoC y FPGA en dispositivos IoT/embebidos donde se requiere alto desempeño, bajo coste y rapidez de reacción. Para este fin, AP Memory sostiene una estrecha colaboración con un creciente número de distribuidores de MCU, SoC y FPGA. Estas soluciones ofrecen protocolos de señal simplificados (como QSPI, OPI y ADMUX) y opciones de encapsulado (KGD, WLCSP, SOP, USON y BGA) para memoria volátil en productos IoT y edge computing. Rutronik distribuye una gran selección de las memorias RAM y PSRAM IoT de AP Memory con una amplia pluralidad de densidades para cumplir los diversos requisitos de rendimiento y ancho de banda.