Conozca la tendencia y el impacto de usar componentes de baja tensión para una variedad de aplicaciones móviles y vestibles. Descubra cómo los diseñadores obtendrán la flexibilidad para usar dispositivos Flash en serie de baja tensión y baja potencia para simplificar los circuitos de alimentación y, al mismo tiempo, ahorrar una gran cantidad de energía.
La fascinación de los consumidores por los dispositivos móviles y vestibles no muestra signos de desvanecimiento. En los productos móviles, el tamaño y peso de la batería es una de las restricciones de diseño más difíciles y desafiantes, ya que una batería más pequeña le permite al diseñador reducir el diseño del producto final o utilizar el espacio guardado para agregar características valiosas. Pero, al mismo tiempo, los usuarios prestan mucha atención al tiempo de funcionamiento de la batería y muestran una sólida preferencia por los productos que requieren cargas menos frecuentes.
Por lo tanto, cada milivatio ahorrado del presupuesto de energía es importante para los diseñadores de productos. Y para ellos, el hecho de que en la industria se usen rieles de alimentación con distintas tensiones estándares —a menudo, de 1,8 V o más— resulta un problema y no una ventaja. Eso se debe a que muchos componentes —sobre todo, aquellos que operan en el dominio digital—, con algunas modificaciones, podrían funcionar casi sin problemas a partir de un riel de alimentación con una tensión inferior a 1,8 V, lo que genera valiosos ahorros en el consumo de energía en modo activo y en espera.
La presión cada vez es mayor para los fabricantes de semiconductores, ya que deben responder a la demanda de sus clientes a fin de admitir funcionamientos en tensiones más bajas. En consecuencia, ¿cuáles son las probabilidades de que la industria de los componentes electrónicos logre un avance hacia un estándar de tensión más baja? ¿Cómo deberían prepararse ahora los diseñadores de sistemas para aprovechar una nueva generación de ofertas de componentes de baja tensión?
Una trayectoria bien definida
En la actualidad, los diseñadores de sistemas por lo general tienen que proporcionar múltiples rieles de alimentación para acomodar los componentes que operan a partir de diferentes tensiones de suministro. Los dispositivos analógicos, como los sensores, comúnmente tienen suministros de 3 V e incluso, suministros de 5 V en aplicaciones industriales. Los componentes digitales heredados pueden tener un suministro de 3,3 V, 2,5 V o 1,8 V. En el extremo inferior del rango de tensión, los más recientes procesadores de aplicaciones o sistemas en chip construidos en nodos de procesamiento avanzado, como 28 nm o más pequeños, pueden tener una tensión operativa principal de tan solo 1 V.
Sin embargo, en el diseño de los sistemas de potencia, como en cualquier campo de la ingeniería de diseño, la complejidad es intrínsecamente indeseable y, en general, cuantos menos rieles de alimentación haya, mejor. Esto significa que, a la larga, la industria querrá establecer tensiones estándares a un nivel inferior a 1,8 V. ¿En qué consistirán estas tensiones?
La Figura 1 muestra cómo las tecnologías DRAM han permitido que la industria de IC de memoria avance más allá del nivel de 1,8 V. La memoria DRAM DDR2 estándar fue la última en usar un suministro de 1,8 V. Después de ello, las sucesivas generaciones de DRAM DDR operaron a 1,5 V (DDR3) y luego, a 1,37 V (DDR3L) antes de alcanzar el nivel actual de 1,2 V (DDR4).
Fig. 1: Rango de tensiones operativas soportadas por los tipos de dispositivos de memoria habituales. En amarillo, DRAM DDR; en verde, memoria NOR Flash de Winbond (Crédito de la imagen: Winbond)
Entonces, para la memoria DRAM, existen tres tensiones intermedias por debajo de 1,8 V. La Figura 1 también muestra en verde los requerimientos de suministro para las sucesivas familias de IC NOR Flash de Winbond, que operan a los niveles estándares de 3 V, 2,5 V y 1,8 V. En la actualidad, las familias más recientes de memorias NOR Flash ofrecen dos rangos de tensión: uno de 1,2 V y otro con un rango de tensión extendida nominalmente de 1,5 V.
La serie W25QxxNE está disponible para admitir una tensión de suministro de 1,14 V a 1,30 V. La serie W25QxxND se ofrece en el nivel "extendido" de 1,5 V, que opera en un rango de 1,14 V a 1,58 V. Ambas series de productos se proporcionarán en densidades que van desde 1 Mb a 128 Mb.
Al admitir la tensión de 1,2 V y el nivel extendido de 1,5 V con su más reciente generación de IC NOR Flash, Winbond busca armonizar las ofertas de productos con la industria de semiconductores más general. Para la industria en general, el nivel de 1,2 V tiene sentido: la disminución de 1,8 V es suficiente para ofrecer ahorros valiosos en el consumo de energía. Y al abarcar las tensiones intermedias de 1,5 V y 1,35 V mediante la serie extendida de 1,5 V, Winbond ofrece un producto estratégico que coincide con el suministro de energía y el nivel de tensión de E/S utilizado por los productos DRAM DDR3 y DDR3L. El rango de tensión más amplio también puede aprovechar la tensión de punto final de las populares baterías de 1,5 V cuando están completamente descargadas.
Estas nuevas ofertas de Winbond están alineadas con el avance general de la industria de los semiconductores para funcionar con rieles de alimentación a niveles de tensión inferiores a 1,8 V y con una amplia compatibilidad entre los clientes para 1,2 V. Varias empresas de tecnología y fabricantes de semiconductores tienen una hoja de ruta para los suministros de energía de sistemas que serán admitidos por los procesadores y los productos de memoria en el futuro. Esta hoja de ruta prevé una reducción en el uso de los rieles de alimentación de 3,3 V y una estandarización a corto plazo en 1,8 V. No obstante, los requerimientos de movilidad de baja potencia son importantes para las compañías de tecnología y los proveedores de semiconductores por igual, y la hoja de ruta también contempla la compatibilidad emergente para 1,5 V, 1,35V y 1,2 V como los siguientes niveles de tensión después de 1,8 V, y una eventual estandarización de toda la industria en 1,2 V.
Winbond es el proveedor más importante del mundo de NAND Flash en serie y NOR en serie, tanto por valor como por volumen. Por lo tanto, tiene cierta influencia sobre la dirección de la estandarización de la industria en el sector de las memorias Flash en serie. Con la introducción de las series W25QxxNE y W25QxxND, Winbond ha demostrado la viabilidad técnica de producir IC Flash en serie de alto rendimiento que operen con tensiones de suministro de tan solo 1,2 V. Por lo tanto, los OEM que utilizan Flash en serie deberían sentirse confiados y preparar sus hojas de ruta para lograr una amplia disponibilidad de 1,2 V y piezas NOR en serie ampliadas de 1,5 V.
Importantes ahorros de energía activa
Por supuesto, la cantidad de energía que se puede ahorrar operando los IC NOR Flash en serie a una tensión inferior a 1,8 V depende de la aplicación. Los ejemplos típicos de los tipos de productos finales que pueden usar memorias Flash en serie de potencia ultrabaja incluyen máquinas portátiles en puntos de venta, relojes inteligentes, libros electrónicos y dispositivos de navegación GPS. En cada uno de ellos, sería normal modelar el presupuesto de energía para un ciclo de trabajo bajo de entre 0,5 % y 5 %, lo cual coincide con el comportamiento típico del usuario. Esto significa que tanto el consumo de energía en espera como el consumo de energía en modo activo tienen un efecto importante en el consumo de energía promedio total.
La Figura 2 muestra que W25Q80NE, un IC NOR Flash de 8 Mb que funciona con un suministro de 1,2 V, ofrece un ahorro de energía típico en modo activo del 33 % sobre la pieza equivalente de 1,8 V.
Fig. 2: Ahorro de energía activo proporcionado por NOR Flash en serie de 1,2 V a 50 MHz de velocidad de reloj
La energía en espera se clasifica como <0,5 µa en="" modo="" de="" apagado.="" a="" modo="" de="" comparación,="" la="" corriente="" de="" apagado="" es="" dos="" veces="" más="" alta=""><1 μa) en="" el="" dispositivo="" w25q80ew="" de="" 1,8 v="" de="">
El consumo reducido de energía, tanto en modo activo como en modo de espera, que ofrece la serie W25QxxNE les permite a los diseñadores de sistemas aumentar el tiempo de funcionamiento de la batería entre las cargas o reducir el tamaño y el peso de la batería. Pero los nuevos dispositivos también brindan ventajas adicionales. En primer lugar, el circuito de alimentación se beneficia a partir de un acoplamiento con ruido reducido en las trazas que conectan la memoria al procesador o SoC de host; un resultado directo de la potencia reducida que transmiten. Esto puede ayudar a aliviar el requisito de tener que implementar medidas de reducción de ruido, como el blindaje, y mejorar el rendimiento de los elementos sensibles al ruido del circuito.
La otra principal ventaja de los dispositivos de 1,2 V es la posibilidad de poder simplificar, con el transcurso del tiempo, el circuito de potencia (ver Figura 3). Al igual que los SoC, los proveedores de microcontroladores y procesadores de aplicaciones adoptan el riel de alimentación de 1,2 V como estándar. Por lo tanto, en el futuro desaparecerá el requisito de admitir múltiples rieles de alimentación mediante el uso de un IC de administración de potencia (PMIC) complejo y de grandes dimensiones. Esto liberará al diseñador de sistemas y podrá usar un componente más simple, como un regulador de bajo diferencial (LDO) para suministrar un único riel de 1,2 V al SoC. Además, se ofrece la posibilidad de ahorros sustanciales en costos y espacio de la placa.
Fig. 3: Al reemplazar las memorias Flash de 1,8 V por aquellas de 1,2 V, los diseñadores pueden simplificar el circuito de potencia
Conjunto de características compatible con los dispositivos de 1,8 V
Winbond ha diseñado la nueva serie de 1,2 V y la serie extendida de 1,5 V para que coincida con los dispositivos existentes de 1,8 V. En casi todos los aspectos, las piezas W25QxxNE tienen las mismas características que las piezas W25QxxEW, excepto que la tensión de suministro, la potencia activa y la potencia en espera son más bajas. Además, la frecuencia de operación máxima de la serie W25QxxNE de 1,2 V es de 104 MHz, la misma que en W25QxxEW de 1,8 V. En los niveles de 1,5 V y 1,35 V, las piezas W25QxxND también operan a 104 MHz, y para permitir el rango de tensión operativa extendida, su frecuencia en 1,2 V es más baja.
La velocidad de 104 MHz de la serie W25QxxNE y W25QxxND es amplia para las aplicaciones habituales en dispositivos móviles, vestibles y de Internet de las cosas, ya que admiten la operación a través de la interfaz periférica en serie (SPI) estándar doble y cuádruple, al igual que mediante la interfaz periférica cuádruple (QPI), lo que otorga una velocidad máxima de transferencia de datos de 52 MB/s. Este rendimiento admite copias del código en DRAM, así como funciones de ejecución en el lugar (XIP).
Debido al gran tamaño de la cartera de productos de Winbond, y la amplia variedad de estilos de paquetes que se ofrecen, también existe una considerable compatibilidad de espacio entre los dispositivos Winbond. Las nuevas piezas de 1,2 V y las piezas extendidas de 1,5 V se suministran en USON de 2 mm x 3 mm y en SOP estrecho de 150 mil y 8 pines. Este paquete SOP es compatible en cuanto a la superficie ocupada con el popular estilo de paquete WSON 6x5 utilizado en los dispositivos Flash de 1,8 V de Winbond.
Al igual que los dispositivos Flash en serie de 1,8 V, las piezas Flash en serie de 1,2 V y 1,5 V extendidas admitirán el mismo conjunto de características y tipos de paquetes con mínimos cambios en el software del sistema. Esto les brinda a los diseñadores la flexibilidad para usar dispositivos Flash en serie de baja tensión y baja potencia para simplificar los circuitos de alimentación, con el beneficio adicional de ahorrar energía. Las piezas W25QxxNE de 1,2 V y las piezas W25QxxND extendidas de 1,5 V también están disponibles en forma de obleas y microplaquetas, y se han probado completamente antes de usarse según el método Known Good Die (KGD).
Impulso detrás de los rieles de alimentación de 1,2 V y 1,5 V extendidos
Winbond ha decidido ser el primero en comercializar productos en el sector de memorias Flash en serie con dispositivos de 1,2 V y dispositivos extendidos de 1,5 V a fin de darle impulso inicial a una tendencia que es muy probable que gane velocidad a medida que los fabricantes de dispositivos alimentados por batería busquen ahorros adicionales en el consumo de energía. En la actualidad, la pieza Flash en serie W25Q80NE de 8 Mb y 1,2 V está disponible para muestras y luego, se ofrecerá la pieza Flash en serie W25Q80ND extendida de 8 Mb y 1,5 V. Las densidades adicionales están muy avanzadas en la hoja de ruta de desarrollo.
Estos productos de 1,2 V han sido diseñados y respaldados por las nuevas empresas que fabrican conjuntos de chips y trabajan en el área de baja potencia, como Espressif. Estas son las declaraciones del CEO de la compañía: “Los productos Flash en serie de baja potencia de Winbond han logrado una posición ideal para aplicaciones de IoT y dispositivos conectados inteligentes”, aseguró Teo Swee Ann, CEO de Espressif Systems. “El dispositivo Flash en serie de 1,2 V de Winbond amplía aún más las capacidades posibles y, gracias a nuestro chip de combinación ESP32 WiFi-Bluetooth de potencia ultrabaja, ha demostrado su capacidad para ayudarnos a reducir incluso más el consumo de energía. Lo probamos con éxito en nuestros sistemas y esperamos presentarlo en el mercado lo antes posible en forma de módulo”.
Como resultado, el mercado Flash está listo para estandarizar los productos en 1,2 V y 1,5 V extendidos como el siguiente nodo de alimentación de menos de 1,8 V. Esto les dará a los diseñadores de sistemas la confianza para planificar sus hojas de ruta de desarrollo en torno a 1,2 V como la tensión de suministro del futuro.