Apprenez-en plus sur la tendance et l'impact de l'utilisation de composants à basse tension pour une variété d'applications mobiles et portables. Découvrez comment les concepteurs vont gagner en flexibilité pour utiliser des dispositifs Flash en série à basse tension et faible consommation afin de simplifier les circuits d'alimentation tout en faisant des économies significatives en alimentation.
L'histoire d'amour du consommateur avec les dispositifs mobiles et portables n'est pas prête de se terminer. Pour les produits mobiles, la taille et le poids de la batterie comptent parmi les contraintes les plus difficiles et les plus complexes en matière de conception : une petite batterie permet au concepteur de réduire la conception du produit final ou d'utiliser l'espace gagné pour ajouter des caractéristiques importantes. Mais en même temps, les utilisateurs font particulièrement attention au temps d'utilisation de la batterie et affichent une forte préférence pour les produits qui nécessitent d'être rechargés moins souvent.
Par conséquent, chaque milliwatt économisé sur le budget dédié à l'alimentation est important pour les concepteurs de produits. Et pour eux, le fait que le secteur utilise des rails d'alimentation à diverses tensions standard, souvent à 1,8 V ou plus, représente un problème et non un avantage. En effet, de nombreux composants, en particulier ceux fonctionnant dans le domaine numérique, pourraient, en étant modifiés, être capables de fonctionner à partir d'un rail d'alimentation à une tension inférieure à 1,8 V, entraînant des économies substantielles en consommation, à l'état actif ou en veille.
La pression se fait alors plus forte sur les fabricants de semiconducteurs pour répondre à la demande de leurs clients de prendre en charge le fonctionnement à des tensions plus basses. Dans quelle mesure est-ce que le secteur des composants électroniques est-il susceptible de passer à un standard de tension plus basse ? Et comment les concepteurs de système doivent-ils se préparer maintenant pour tirer profit d'une nouvelle génération d'offres de composants à tension plus basse ?
Un sens de déplacement clair
De nos jours, les concepteurs de système doivent en général fournir plusieurs rails d'alimentation afin d'accommoder les composants fonctionnant à partir de différentes tensions d'alimentation. Les dispositifs analogues comme les capteurs ont généralement une alimentation de 3 V ou même 5 V dans les applications industrielles. Les anciens composants numériques peuvent avoir une alimentation de 3,3 V, 2,5 V ou 1,8 V. Au bas de la plage de tension, les derniers processeurs d'application ou systèmes sur puce construits sur des nœuds de processus avancés, tels que 28 nm ou plus petit, peuvent avoir une tension de fonctionnement du cœur aussi basse que 1,0 V.
Pourtant, dans la conception de système d'alimentation, comme dans n'importe quel champ d'ingénierie de conception, la complexité n'est pas souhaitée de manière inhérente et en général, moins il y a de rails d'alimentation, mieux c'est. Cela signifie qu'à un moment, le secteur voudra définir les tensions standard à un niveau inférieur à 1,8 V. Quelles seront ces tensions ?
La Figure 1 montre comment les technologies DRAM ont entraîné le secteur des circuits imprimés à mémoire au-delà de 1,8 V. La mémoire DRAM DDR2 standard était la dernière à utiliser une alimentation de 1,8 V. Ensuite, les générations successives de mémoire DRAM DDR fonctionnaient à 1,5 V (DDR3), puis à 1,37 V (DDR3L) avant d'atteindre le niveau d'aujourd'hui, 1,2 V (DDR4).
Fig. 1 : plage des tensions de fonctionnement prises en charge par les types courants de dispositif à mémoire. En jaune, DRAM DDR ; en vert, Flash NOR de Winbond (Crédit image : Winbond)
Ainsi, pour la mémoire DRAM, il existe trois tensions intermédiaires en dessous de 1,8 V. La figure 1 montre aussi en vert les exigences d'alimentation des familles successives de circuits imprimés Flash NOR de Winbond, fonctionnant aux niveaux standards de 3 V, 2,5 V et 1,8 V. Désormais les dernières familles Flash NOR offrent deux gammes de tension : une à 1,2 V et une autre avec une gamme de tension étendue nominalement à 1,5 V.
La série W25QxxNE est disponible pour prendre en charge une tension d'alimentation allant de 1,14 V à 1,30 V. La série W25QxxND est offerte au niveau de « 1,5 V étendu », fonctionnant sur une gamme de 1,14 V à 1,58 V. Les deux séries de produit seront fournis avec des densités allant de 1 Mbit à 128 Mbits.
En prenant en charge la tension de 1,2 V et le niveau étendu de 1,5 V avec sa dernière génération de circuits imprimés Flash NOR, Winbond cherche à harmoniser ses produits avec le secteur plus large des semiconducteurs. Pour le secteur dans son ensemble, le niveau de 1,2 V a du sens : la baisse à 1,8 V est suffisante pour offrir des économies intéressantes en termes de consommation d'alimentation. Aux tensions intermédiaires de 1,5 V et 1,35 V couvertes par la série étendue de 1,5 V, Winbond offre un produit stratégique qui correspond à la tension d'alimentation et au niveau de tension E/S utilisés par les produits de DRAM DDR3L et DDR3. La gamme plus large de tension peut également tirer profit de la tension en point de fin des batteries courantes de 1,5 V lorsqu'elles sont complètement déchargées.
Ces nouvelles offres de Winbond sont cohérentes avec un changement général du secteur des semiconducteurs et peuvent être utilisées sur des rails d'alimentation à des niveaux de tension inférieurs à 1,8 V, soutenu largement par les consommateurs pour 1,2 V. Plusieurs entreprises technologiques et fabricants de semiconducteurs ont une feuille de route pour les alimentations électriques système que les processeurs et les produits de stockage prendront en charge. Cette feuille de route prévoit une réduction dans l'utilisation du rail d'alimentation de 3,3 V et une standardisation à court terme sur 1,8 V. Mais les exigences de faible consommation de mobilité sont importantes pour les entreprises technologiques comme pour les fournisseurs de semiconducteurs, et la feuille de route voit aussi l'émergence d'une prise en charge pour 1,5 V, 1,35 V et 1,2 V comme les prochains niveaux de tension après 1,8 V et la standardisation finale sur l'ensemble du secteur à 1,2 V.
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Winbond est le plus grand fournisseur dans le monde de mémoire Flash NOR et NAND série en termes de valeur et de volume et a ainsi une certaine influence sur le sens de la standardisation du secteur concernant la mémoire Flash série. Avec l'introduction des séries W25QxxNE et W25QxxND, Winbond a prouvé qu'il était possible techniquement de produire des circuits imprimés Flash série haute performance qui fonctionnent à partir de tension d'alimentation aussi basses que 1,2 V. Les fabricants OEM qui utilisent la mémoire Flash série devraient donc se sentir confiants pendant la préparation de leurs feuilles de route avec une large disponibilité de pièces NOR série 1,2 V et 1,5 V étendu.
Économies d'alimentation active significatives
La quantité d'alimentation qui peut être économisée en utilisant les circuits imprimés Flash NOR série à une tension inférieure à 1,8 V dépend bien évidemment de l'application. Les exemples typiques de types de produit final qui peuvent utiliser une mémoire Flash série d'alimentation très faible incluent les machines de point de vente portables, les montres intelligentes, les e-books et les dispositifs de navigation GPS. Pour chacun d'entre eux, il serait normal de définir un budget de consommation pour un cycle de travail faible entre 0,5 % et 5 %, correspondant au comportement typique d'un utilisateur. Cela signifie que la consommation énergétique en veille et celle active ont un effet important sur le total de la consommation d'alimentation moyenne.
La Figure 2 montre que le W25Q80NE, un circuit imprimé Flash NOR 8 Mbits fonctionnant avec une alimentation de 1,2 V, offre une économie d'alimentation typique en mode actif de 33 % par rapport à la pièce de 1,8 V équivalente.
Fig 2 : économie d'alimentation active fournie par une mémoire Flash NOR série de 1,2 V à une fréquence d'horloge de 50 MHz
L'alimentation en veille est évaluée à < 0,5 µa en="" mode="" hors="" tension.="" par="" comparaison,="" le="" courant="" en="" mode="" hors="" tension="" est="" deux="" fois="" plus="" élevé="">< 1 µa) dans="" le="" dispositif="" w25q80ew="" 1,8 v="" de="">
L'utilisation réduite de l'alimentation dans les modes actifs et en veille fournie par la série W25QxxNE permet aux concepteurs de système d'augmenter le temps d'utilisation des batteries entre les recharges, ou de réduire la taille et le poids des batteries. Mais les nouveaux dispositifs fournissent aussi d'autres avantages. Tout d'abord, le circuit d'alimentation bénéficie du couplage du bruit réduit dans les traces connectant la mémoire au processeur ou au SoC hôte, résultant directement de l'alimentation réduite qu'ils transportent. Cela peut assouplir l'exigence d'implémenter les mesures d'atténuation du bruit telles que le blindage et d'améliorer les performances des éléments sensibles au bruit dans le circuit.
L'autre avantage principal des dispositifs de 1,2 V est le potentiel, dans le temps, de simplifier le circuit d'alimentation (voir Figure 3). À mesure que les fournisseurs de microcontrôleurs, de processeurs d'applications et de SoC adoptent le rail d'alimentation de 1,2 V en tant que standard, la nécessité de prendre en charge plusieurs rails d'alimentation en utilisant un grand circuit imprimé de gestion d'alimentation complexe (PMIC) disparaîtra, permettant au concepteur de systèmes d'utiliser un composant plus simple comme le régulateur de chute faible (LDO) pour fournir un seul rail de 1,2 V au SoC. Ceci permet de réaliser des économies significatives en termes d'espace sur la carte et de coûts.
Fig. 3 : le remplacement d'une carte Flash 1,8 V par une carte Flash 1,2 V permet aux concepteurs de simplifier le circuit d'alimentation
Ensemble de fonctionnalités compatible avec les dispositifs de 1,8 V
Winbond a conçu la nouvelle série 1,2 V et la série 1,5 V étendu pour correspondre aux dispositifs de 1,8 V existants. À presque tous les égards, les pièces du W25QxxNE ont les mêmes caractéristiques que les pièces du W25QxxEW, sauf que la tension d'alimentation, l'alimentation active et l'alimentation en veille sont inférieures. En outre, la fréquence de fonctionnement maximale de la série W25QxxNE 1,2 V est de 104 MHz, la même que pour le W25QxxEW 1,8 V. À 1,5 V et 1,35 V, les pièces W25QxxND fonctionnent aussi à 104 MHz. Pour activer la plage de tension de fonctionnement étendue, leur fréquence à 1,2 V est inférieure :
la fréquence de 104 MHz des séries W25QxxNE et W25QxxND est ample pour des applications typiques dans les dispositifs mobiles, portables et de l'Internet of Things, puisqu'ils prennent en charge des opérations via un bus d'interface périphérique série (SPI) standard, double et quadruple et un bus d'interface périphérique quad (QPI), fournissant un taux de transfert des données de 52 Mo/s maximum. Cette performance prend en charge l'ombrage de code sur la DRAM ainsi que les fonctions à exécuter sur place (XIP).
Avec le large portefeuille de produits de Winbond et le choix étendu de styles de paquet qu'il offre, il existe également une grande compatibilité d'empreinte entre les dispositifs Winbond. Les nouvelles pièces 1,2 V et 1,5 V étendu sont fournies dans un paquet USON de 2 mm x 3 mm et un SOP 8 broches 150 mil étroit. Ce package SOP est compatible en termes d'empreinte avec le style de paquet WSON 6 x 5 utilisé dans les dispositifs Flash 1,8 V de Winbond.
Comme les dispositifs Flash série 1,8 V, les pièces Flash série 1,2 V et 1,5 V étendu prendront en charge le même ensemble de fonctions et les types de paquet avec un minimum de modifications dans le logiciel système. Cela offre aux concepteurs la flexibilité d'utiliser des dispositifs Flash série à basse tension et faible consommation pour simplifier leurs circuits d'alimentation, avec l'avantage de réaliser des économies en alimentation. Les pièces 1,2 V du W25QxxNE et 1,5 V étendu du W25QxxND sont également disponibles sous forme de wafer et die, en tant que puces réputées bonnes (KGD) entièrement testées.
Dynamique derrière les rails d'alimentation 1,2 V et 1,5 V étendu
Winbond a décidé d'être le premier à commercialiser dans le secteur Flash série les dispositifs 1,2 V et 1,5 V étendu pour offrir une dynamique précoce à une tendance qui semble certaine de s'accélérer. En effet, les fabricants de dispositifs alimentés par batteries cherchent à réaliser davantage d'économies en matière de consommation énergétique. La pièce Flash série 1,2 V 8 Mbits W25Q80NE est disponible pour échantillonnage aujourd'hui et sera suivie par la pièce Flash série W25Q80ND 8 Mbits 1,5 V étendu. D'autres densités sont à un stade bien avancé sur la feuille de route de développement.
Ces produits 1,2 V ont été conçus et approuvés par les nouvelles entreprises de puces dans le domaine de la faible consommation comme Expressif et voici ce qu'a dit leur PDG. « Les produits Flash série à faible consommation de Winbond ont été positionnés de manière idéale pour les applications IoT et les dispositifs connectés intelligents, » a déclaré Swee Ann, PDG d'Espressif Systems. « Le dispositif Flash série 1,2 V Winbond pousse le concept encore plus loin et avec notre puce mixte Wi-Fi-Bluetooth ESP32 ultra faible consommation, il a prouvé qu'il était capable de nous aider à réduire davantage la consommation énergétique. Il a été testé avec succès sur nos systèmes et nous espérons commercialiser cela sous forme de module dès que possible. »
Au final, le marché Flash est prêt à normaliser à 1,2 V et 1,5 V étendu comme le prochain nœud d'alimentation en dessous de 1,8 V. Les concepteurs de système pourront ainsi planifier en toute confiance leurs feuilles de route de développement sur 1,2 V comme la tension d'alimentation du futur.