Una parte integral de la Internet de las cosas (IoT), maquina a máquina (M2M) hace referencia a las tecnologías de conectividad que hacen posible las aplicaciones informáticas integradas, los procesadores, sensores y otros dispositivos con la misma infraestructura de comunicación para comunicarse entre sí con mínima intervención humana. Una solución de un sistema M2M incluye hardware, software alojado y servicios necesarios para desarrollar las aplicaciones fácilmente. Además incluye adaptadores, módulos y dispositivos de comunicación inalámbricos y por cable. Además, una solución M2M ofrece administración, capacidad para enviar mensajes de texto y de almacenamiento que conecta dispositivos remotos, aplicaciones empresariales y mucho más.
En entornos complejos, los dispositivos M2M son dispositivos independientes equipados con una interfaz específica (por ejemplo, USB) memoria volátil y no volátil, aplicaciones, sistemas operativos y unidades para dispositivos. (Consulte la Figura 1.) Generalmente, los dispositivos M2M usan alguna forma de memoria Flash para el almacenamiento de códigos y una memoria volátil, tal como SRAM o DRAM, con fines de almacenamiento en caché o buffer. Debido a que los servicios de M2M son tan variados, su implementación exige del uso de aplicaciones en el dispositivo alojado que puedan administrar información y comunicación M2M y, en algunos casos, puedan ofrecer un canal de comunicación seguro para aplicaciones que tratan con transacciones financieras como terminales de puntos de venta (POS, por sus siglas en inglés).
Estos tipos de entornos del sistema agregan complejidad a los requisitos de memoria del sistema. La tecnología de la memoria importa, ya sea que se use para almacenamiento o para posibilitar el procesamiento de nuevos tipos de datos para mejorar las eficiencias y aumentar la inteligencia en los sistemas. Varios factores participan en el proceso de toma de decisiones para seleccionar los componentes adecuados y uno no puede ser sacrificado a costa del otro. Es posible que una solución menos costosa no aborde temas de longevidad, que son imprescindibles para los productos M2M que tienen vidas útiles más largas. Este artículo se centra en los desafíos de la selección de la memoria no volátil (NVM, por sus siglas en inglés) adecuada para las aplicaciones M2M y algunos factores claves a tener en cuenta.
Consideraciones de la memoria flash para soluciones M2M de corto alcance
Las soluciones M2M de corto alcance engloban sensores y dispositivos dentro de la misma infraestructura de red, tal como red de área local (LAN) o red de área personal (PAN). Las soluciones de corto alcance incluyen una abundancia de tecnologías de comunicación inalámbrica que varían desde varias opciones patentadas hasta opciones estandarizadas tal como Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee, y Z-Wave. Estos estándares continuarán evolucionando para mantener los requisitos de las comunicaciones M2M y apoyar y asegurar la interoperabilidad con la lista en continuo crecimiento de aplicaciones.
La memoria integrada domina el terreno de las soluciones M2M de corto alcance que emplean Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee, Z-Wave, y otras. La memoria integrada ahorra espacio, ofrece un tiempo de arranque más rápido y ayuda a mejorar la eficiencia de Ejecutar en el Lugar (XiP). Sin embargo, existen desventajas que uno tiene que tener en cuenta en el desarrollo del sistema.
La desventaja más grande es que la memoria integrada tiene menor densidad y supone el riesgo de quedarse sin bits para alojar las últimas revisiones del software. Por lo tanto, es prudente diseñar una memoria externa tal como una memoria Flash de 128Mb Serial NOR o 1Gb–2Gb NAND, para asegurar que haya suficientes bits para que el programa codifique y mantenga una imagen de la versión previa en caso de cortes de energía.
La memoria integrada también tiene límites de ciclos de escritura y quizás no sea adecuada para el almacenamiento paramétrico, especialmente en aplicaciones que deben actualizar los datos del parámetro del sistema varias veces durante la vida útil de la aplicación. Esta limitación puede superarse con la memoria en caché, pero viene a expensas de costos adicionales del sistema. La consideración final es la necesidad de acomodarse para el aumento en la capacidad del sistema activo para las actualizaciones a la Flash y el golpe a la eficiencia general del sistema durante los ciclos de escritura y eliminación.
Consideraciones de la memoria flash para soluciones M2M de largo alcance
Las soluciones M2M de largo alcance requieren una conectividad continua para los sensores y dispositivos en infraestructuras grandes que cruzan varios límites en la red. La tecnología celular es la aplicación más común para estas soluciones. Los módulos celulares M2M están disponibles en versiones 2G y 3G/4G. Las redes 3G se basan en el Acceso Descendente de Paquetes de Alta Velocidad (HSDPA, por sus siglas en inglés) que es compatible con una unidad común del microprocesador (MPU, por sus siglas en inglés) que arquitecta y hace posible experiencias de búsqueda y de multimedia ricas y en tiempo real. Las redes 3G continuarán siendo una elección internacional popular por encima de las redes 2G más lentas y continuarán agregando suscriptores.
Se espera que el número de conexiones IoT en celulares se duplique en los próximos tres años. Los proveedores de telefonía celular están actualizando sus redes a 4G LTE para acomodarse a los servicios de datos de alta capacidad con mayor eficiencia. Los operadores de red móvil (MNOs) están implementando servicios M2M que generan rentabilidad, aprovechando las redes de servicios 3G y 4G para utilizar recursos de la red. En consecuencia, los proveedores del módulo M2M están excluyendo módulos 2G certificados de los diseños nuevos para adaptarse a las soluciones de componentes más nuevos y fabricación de última generación. Los módulos M2M de 3G están, por lo tanto, en su punto óptimo de crecimiento del mercado y se espera que ocupen casi la mitad de las conexiones M2M celulares antes de 2016.
Consideraciones sobre rendimiento, densidad, costo y empaquetado
La Figura 3 muestra un módulo M2M celular típico, incluyendo un conjunto de soluciones de software. Los requisitos de memoria Flash varían de 32 Mb en módulos celulares 2G a 4Gb en módulos celulares 4G. Los módulos celulares 2G tienen un modem con velocidad menor y tienen una huella de memoria más pequeña de 32Mb/64Mb para códigos de comunicación crítica. Aquí, la memoria NOR Flash es la memoria elegida, su arquitectura de ejecución en su lugar (XiP) hace posible la ejecución del código fuera de la memoria Flash y solo exige 16 Mb–32 Mb de PSRAM en la memoria de trabajo o en la memoria caché extendida. Los módulos celulares de 3G/4G tienen un rendimiento más alto y requisitos de densidad. El código de comunicación crítico es mucho más alto, y el sistema tiene que almacenar una copia de la imagen del software y versiones middleware Java. Esto impulsa requisitos de densidad tan altos como 4Gb para memora NAND Flash. Desde un punto de vista de costos, SLC NAND es una buena opción para densidades 1Gb y superiores.
Cambiar a la memoria NAND Flash, significará que el código no puede ser directamente ejecutado fuera de la memoria Flash; en su lugar, deberá ser descargada en la memoria RAM para su ejecución. Esto se conoce como almacenar y descargar (SnD) o procesar arquitectura de memoria y hace que los requisitos de DRAM externos aumenten significativamente para oscurecer y ejecutar códigos. Aún con el aumento en la memoria DRAM. la solución general de la memoria estará igualada en términos de precios a la memoria NOR Flash y a la solución DRAM con menor densidad.
Debido al pequeño factor de forma de los módulos M2M, se prefieren los paquetes de multichips (MCP) porque ofrecen ahorros significativos en el espacio del panel comparado con los componentes de la memoria DRAM y Flash por separado. La Figura 5 ilustra un ejemplo de una solución 1Gb NAND/512Mb LPDRAM MCP en un paquete de 8 x 9 x 1mm que se adapta bien en un módulo M2M de 3G/4G.
Longevidad del producto
La memoria NOR Flash tiene un mejor registro de seguimiento que la memoria NAND Flash en aplicaciones para automotores, industriales y médicas que se caracterizan por ciclos de vida largos, y un promedio de vida de un módulo M2M de más de 10 años. NOR Flash es además autosuficiente en la administración de todas las funciones de la memoria, mientras que NAND depende del procesador para administrar las funciones de la memoria, incluyendo ECC, mala administración de bloque y nivelación del desgaste. Esto puede que haga que se torne difícil el soporte durante la vida útil del producto y debido a la reducción de la tecnología NAND se hace difícil asegurar que las características NAND seguirán sin cambios con el paso de cambios geométricos.
Situaciones de casos de uso
La capacidad de actualizaciones de memorias en los sistemas en una de las ventajas claves que la memoria Flash ofrece a las aplicaciones integradas que generalmente requieren de aproximadamente ciclos de ELIMINACIÓN y PROGRAMA DE 100.000 y un mínimo de 10 años de retención de datos. La memoria NOR Flash ha tradicionalmente satisfecho este requisito a través de varias generaciones de geometrías de encogimiento. En el caso de la memoria NAND Flash, las características cambian son la litografía de encogimiento. El efecto es aún más pronunciado en las tecnologías por debajo de una geometría de 30nm, tal como se muestra en la Figura 6, donde los requisitos de ECC aumentan significativamente y los ciclos de ELIMINACIÓN y PROGRAMA se tornan limitados para las aplicaciones integradas.
La situación de caso de uso se vuelve un factor crítico al elegir la memoria Flash que se adapta mejor a una aplicación específica. Por ejemplo, las aplicaciones que emplean arquitectura SnD, donde el código se copia a una memoria DRAM durante el inicio y las actualizaciones son frecuentes, pueden explotar la ventajas de costo para NAND Flash, especialmente cuando la densidad de los requisitos del código excede el 1Gb de memoria. Por otro lado, es necesario realizar una evaluación más cuidadosa de la situación de caso de uso para las aplicaciones M2M donde las actualizaciones de datos y los códigos frecuentes impulsarán el ciclo de PROGRAMA y ELIMINACIÓN más allá de las limitaciones de la tecnología.
Conclusión
Los dispositivos M2M están conectando nuevos espacios, tal como los pisos de fabricación, red de energía eléctrica, instalaciones para la atención de la salud y sistemas de transporte, a la Internet. Cuando un objeto se puede representar a sí mismo digitalmente, puede ser controlado desde cualquier lugar. Esta conectividad significa más datos, recolectados desde más lugares, con más modos para aumentar la eficiencia y mejorar la seguridad y protección. La demanda cada vez mayor de datos exponencialmente impulsa los bits requeridos para acciones de ejecución y almacenamiento según lo exijan los datos. El rendimiento, la densidad, los costos, el empaquetado, la longevidad, las situaciones de casos de uso son factores clave al momento de elegir la solución de memoria correcta para sus productos M2M.