Impara le tendenze e gli effetti dell'utilizzo di componenti a bassa tensione per una serie di applicazioni mobili e indossabili. Scopri in che modo i progettisti ottengono la flessibilità per utilizzare dispositivi flash seriali a bassa tensione e a bassi consumi per semplificare i circuiti, risparmiando consumi in modo sostanziale.
L'infatuazione dei consumatori per i dispositivi mobili e indossabili sembra non finire mai. Nei prodotti mobili, le dimensioni e il peso della batteria sono tra i vincoli progettuali più difficili e impegnativi: una batteria più piccola permette al progettista di risparmiare tempo nella progettazione del prodotto finale o di utilizzare lo spazio risparmiato per aggiungere funzioni utili. Allo stesso tempo, però, gli utenti fanno grande attenzione alla durata della batteria, e mostrano una netta preferenza per i prodotti che richiedono ricariche meno frequenti.
Perciò, per i progettisti ogni milliwatt della disponibilità di potenza risparmiato è importante. E per loro, l'uso nel settore di linee di alimentazione a diverse tensioni standard, spesso a 1,8 V o superiori, è un problema, non un vantaggio: questo perché molti componenti, in particolare quelli che operano nel dominio digitale, con qualche modifica sarebbero in grado di funzionare con una linea di alimentazione a tensioni inferiori agli 1,8 V, il che comporterebbe un risparmio notevole nei consumi in modalità attiva e stand-by.
La pressione è quindi tutta sui produttori di semiconduttori, affinché supportino il funzionamento a tensioni più basse, come richiesto dai clienti. Perciò, in che modo il settore dei componenti elettronici vuole raggiungere uno standard di tensione più bassa? E come si devono preparare i progettisti di sistema a sfruttare la nuova generazione di componenti con tensioni inferiori?
Una chiara indicazione di percorso
Oggi, i progettisti di sistema devono offrire più linee di alimentazione, in genere, per accogliere componenti che operano a tensioni di alimentazioni diverse. I dispositivi analogici come i sensori hanno di solito un'alimentazione da 3 V (o addirittura da 5 V nelle applicazioni industriali). I tradizionali componenti digitali hanno un'alimentazione da 3,3 V, 2,5 V o 1,8 V. All'estremo più basso della gamma di tensione, gli ultimi processori o sistemi su chip basati su nodi di processo avanzati, dell'ordine di 28 nm o più piccoli, possono avere una tensione d'esercizio di base già da 1,0 V.
Eppure, nei progetti dei sistemi di potenza, come in ogni campo dell'ingegneria di progettazione, la complessità è per definizione indesiderabile, e in generale meno sono le linee di alimentazione, meglio è. Ciò significa che il settore preferisce stabilire tensioni standard inferiori agli 1,8 V. Quali saranno queste tensioni?
La figura 1 mostra in che modo le tecnologie DRAM hanno portato il settore degli IC di memoria al di sotto degli 1,8 V. La DRAM DDR2 standard è stata l'ultima a usare un'alimentazione da 1,8 V. Dopo, le generazioni seguenti di DRAM DDR hanno funzionato a 1,5 V (DDR3), poi a 1,37 V (DDR3L) prima di arrivare al livello odierno, 1,2 V (DDR4).
Figura 1: gamma di tensioni d'esercizio supportate dai comuni tipi di dispositivi di memoria. In giallo, la DRAM DDR; in verde, la flash NOR di Winbond (Accreditamento dell'immagine: Winbond)
Quindi, per la DRAM ci sono tre tensioni intermedie al di sotto degli 1,8 V. La figura 1 mostra in verde anche i requisiti di alimentazione delle famiglie successive di IC flash NOR Winbond, operanti ai livelli standard di 3 V, 2,5 V e 1,8 V. Ora, le ultime famiglie flash NOR offrono due gamme di tensione: una a 1,2 V e un'altra con una gamma di tensione estesa nominale a 1,5 V.
La serie W25QxxNE è in grado di supportare una tensione di alimentazione da 1,14 V a 1,30 V. La serie W25QxxND è offerta a livello "1,5 V esteso" e opera in una gamma che va da 1,14 V a 1,58 V. Entrambe le serie del prodotto sono disponibili in densità che vanno da 1 Mbit a 128 Mbit.
Con il supporto della tensione da 1,2 V e il livello esteso da 1,5 V dell'ultima generazione di IC flash NOR, Winbond sta cercando di armonizzare la sua offerta di prodotti con il più ampio settore dei semiconduttori. Per il settore nel suo complesso, il livello da 1,2 V ha un senso: il calo da 1,8 V è sufficiente per offrire un risparmio notevole nel consumo di potenza. Per le tensioni intermedie di 1,5 V e 1,35 V a cui è dedicata la serie estesa da 1,5 V, Winbond offre un prodotto strategico che si adatta all'alimentazione e al livello di tensione I/O usati dai prodotti DRAM DDR3 e DDR3L. La gamma di tensione più ampia può anche sfruttare la tensione terminale delle comuni batterie da 1,5 V quando sono completamente scariche.
Queste nuove offerte di Winbond sono coerenti con una tendenza generale del settore dei semiconduttori di portare le linee di alimentazione a livelli inferiori agli 1,8 V, con ampio supporto tra i clienti per gli 1,2 V. Le diverse aziende tecnologiche e i vari produttori di semiconduttori hanno una tabella di marcia per gli alimentatori che verranno supportati dai processori e dai prodotti di memoria. Questa tabella di marcia prevede una riduzione dell'utilizzo della linea di alimentazione da 3,3 V e una standardizzazione a breve termine sugli 1,8 V. Ma i requisiti di bassa potenza della mobilita sono importanti anche per le aziende tecnologiche e per i produttori di semiconduttori, e la tabella di marcia prevede anche un supporto per 1,5 V, 1,35 V e 1,2 V come prossimi livelli di tensione dopo gli 1,8 V, e infine una standardizzazione per tutto il settore a 1,2 V.
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Winbond è il più grande fornitore al mondo di flash NOR e NAND seriali per valore e volume, e in quanto tale ha una certa influenza sulla direzione della standardizzazione dell'industria nel settore delle flash seriali. Con l'introduzione delle serie W25QxxNE e W25QxxND, Winbond ha dimostrato la possibilità tecnica di produrre IC flash seriali altamente performanti che operano a tensioni di alimentazione già da 1,2 V. Gli OEM che usano flash seriali devono quindi prepararsi a una vasta disponibilità di parti NOR seriali da 1,2 V e da 1,5 V estesi.
Risparmi sostanziali nei consumi in modalità attiva
La quantità di potenza che si può risparmiare con gli IC flash NOR seriali che operano a tensioni inferiori a 1,8 V dipende certamente dalle applicazioni. Esempi tipici di prodotti finali che possono usare flash seriali di potenza estremamente ridotta sono i POS portatili, gli smart watch, gli e-book e i dispositivi per la navigazione GPS. In ciascuno di questi casi, sarebbe normale modellare la disponibilità di potenza su un ciclo di lavoro basso tra lo 0,5% e il 5%, coerente col tipico comportamento degli utenti. Ciò significa che sia il consumo di potenza in modalità stand-by, sia quello in modalità attiva hanno un effetto importante sul consumo di potenza medio totale.
La figura 2 mostra che il W25Q80NE, un IC flash NOR da 8 Mbit che opera con un alimentazione da 1,2 V, offre un risparmio di potenza in modalità attiva del 33% rispetto alla parte equivalente da 1,8 V.
Figura 2: risparmio di potenza in modalità attiva fornito da flash NOR seriale da 1,2 V a velocità di clock di 50 MHz
La potenza in modalità stand-by è classificata a meno di 0,5 µA in modalità spegnimento. Per un confronto, la corrente in modalità spegnimento è doppia (meno di 1 µA) nel dispositivo W25Q80EW da 1,8 V di Winbond.
L'utilizzo ridotto di potenza in modalità attiva e stand-by offerto dalla serie W25QxxNE permette ai progettisti di sistema di aumentare la durata della batteria tra le ricariche o di ridurre le dimensioni e il peso della batteria. Ma i nuovi dispositivi presentano anche altri vantaggi. In primis, il circuito di potenza beneficia di un accoppiamento di rumore ridotto nelle tracce che connettono la memoria al SoC host o al processore, una conseguenza diretta della riduzione di potenza. Questo contribuisce all'integrazione di misure di mitigazione del rumore come la schermatura e a migliorare le prestazioni degli elementi del circuito sensibili al rumore.
L'altro vantaggio principale dei dispositivi da 1,2 V è la possibilità, nel tempo, di semplificare il circuito di potenza (vedi figura 3). Dato che i fornitori di SoC, processori per le applicazioni e microcontroller adotteranno come standard la linea di alimentazione da 1,2 V, la necessità di supportare più linee di alimentazione tramite l'uso di un grande e complesso IC di gestione della potenza (PMIC) scomparirà, consentendo ai progettisti di sistema di utilizzare un componente più semplice come un regolatore di dropout basso (LDO) per fornire al SoC un'unica linea da 1,2 V. In questo modo c'è la possibilità di un risparmio sostanziale nello spazio e nel costo delle schede.
Figura 3: la sostituzione di una flash da 1,8 V con una da 1,2 V permette ai progettisti di semplificare il circuito di potenza
Insieme di funzioni compatibili con i dispositivi da 1,8 V
Winbond ha progettato la nuova serie da 1,2 V e quella estesa da 1,5 V per i dispositivi esistenti da 1,8 V. In quasi tutti gli aspetti, le parti di W25QxxNE hanno le stesse caratteristiche di quelle di W25QxxEW, tranne la tensione di alimentazione, la potenza in modalità attiva e quella in modalità stand-by, che sono inferiori. In più, la frequenza d'esercizio massima della serie W25QxxNE da 1,2 V è 104 MHz, la stessa della serie W25QxxEW da 1,8 V. A livelli di 1,5 V e 1,35 V, anche le parti W25QxxND funzionano a 104 MHz; per abilitare la gamma di tensione d'esercizio estesa, la loro frequenza a 1,2 V è inferiore.
La velocità di 104 MHz delle serie W25QxxNE e W25QxxND è adatta per le applicazioni tipiche dei dispositivi mobili, indossabili e dell'Internet delle Cose, perché essi supportano il funzionamento tramite interfaccia seriale periferica (Serial Peripheral Interface, SPI) standard, dual e quad e interfaccia seriale quad (Quad Peripheral Interface, QPI), offrendo una velocità massima di trasferimento dati di 52 MB/s. Queste prestazioni supportano lo shadowing di codice per la DRAM e le funzioni Execute In Place (XIP).
Per via della vastità della gamma di prodotti Winbond e dell'ampia scelta di forme del pacchetto offerte, c'è anche una notevole compatibilità di dimensioni tra i dispositivi Winbond. Le nuove parti da 1,2 V e quelle estese da 1,5 V sono disponibili in USON da 2 mm x 3 mm e in stretto SOP 8-pin da 150 mil. Questo pacchetto SOP ha dimensioni compatibili con la forma del pacchetto 6 x 5 WSON utilizzata dei dispositivi flash da 1,8 V di Winbond.
Come i dispositivi flash seriali da 1,8 V, anche le parti flash seriali da 1,2 V e quelle da 1,5 V estese supportano lo stesso insieme di caratteristiche e le stesse forme del pacchetto, con modifiche minime al software di sistema. Questo offre ai progettisti la flessibilità di usare dispositivi flash seriali a bassa tensione e a bassi consumi per semplificare i circuiti, con il vantaggio aggiuntivo del risparmio di potenza. Le parti da 1,2 V della serie W25QxxNE e quelle estese da 1,5 V della serie W25QxxND sono anche disponibili in forma di wafer e die, come pienamente collaudato dal programma Known Good Die (KGD).
L'impulso verso le linee di alimentazione da 1,2 V e quelle estese da 1,5 V
Winbond ha deciso di essere la prima a entrare nel mercato dei flash seriali con dispositivi da 1,2 V e da 1,5 V estesi per dare da subito la spinta a una tendenza che sembra sul punto di prendere piede, poiché i produttori di dispositivi alimentati a batteria cercano ulteriori risparmi nel consumo di potenza. La parte Flash seriale da 1,2 V e 8 Mbit W25Q80NE è oggi disponibile per i test e sarà seguita dalla parte flash seriale da 1,5 V estesi e 8 Mbit W25Q80ND. Altre densità sono già avanti nella tabella di marcia dello sviluppo.
Questi prodotti sono stati progettati e adottati da nuove aziende di chipset che lavorano nell'ambito dei bassi consumi come Espressif, ed ecco cosa ha dichiarato il loro CEO. "I prodotti flash seriali a bassi consumi di Winbond sono ideali per le applicazioni dell'IoT e per i dispositivi connessi intelligenti", ha detto Teo Swee Ann, CEO di Espressif Systems. "Il dispositivo flash seriale da 1,2 V di Winbond è un passo avanti e con il nostro chip combinato WiFi-Bluetooth ESP32 dai consumi ultra ridotti ha dimostrato la sua abilità nell'aiutarci a ridurre ulteriormente il consumo di potenza; è stato testato con successo sui nostri sistemi e speriamo di commercializzarlo in forma di modulo quanto prima".
Come risultato, il mercato flash è pronto a standardizzarsi sugli 1,2 V e sugli 1,5 V estesi come prossimo nodo di potenza al di sotto degli 1,8 V, offrendo ai progettisti di sistema la sicurezza per pianificare le loro tabelle di marcia di sviluppo sugli 1,2 V come tensione di alimentazione del futuro.