Weiterentwicklung der industriellen Speichertechnik: MRAM übernimmt die Staffel für die nächste Generation

Industriespeicher ist ein unauffälliger, aber entscheidender Nischenmarkt in der Halbleiterindustrie. Im Gegensatz zu Verbraucherspeichern, deren Kernanforderungen Kapazität und Kosten sind, legt Industriespeicher größeren Wert auf Zuverlässigkeit, wie z. B. Dauerbetrieb 7×24 Stunden, breiter Temperaturbereich von -40 bis 125 ℃, starke Vibrationen und elektromagnetische Störungen, häufige unerwartete Stromausfälle usw. Diese Betriebsbedingungen bestimmen, dass Industrieanlagen keine Verbraucherspeicherkomponenten direkt verwenden können, sodass „Industriequalität“ zu einer klaren Produktkategorie wird, die unabhängig von Verbraucherqualität und Automobilqualität ist.

Seit Jahrzehnten haben sich die Speichermedien für die Industrie mehrfach weiterentwickelt, aber es wurde nie eine perfekte Lösung gefunden, die alle Kernanforderungen gleichzeitig erfüllt. Erst als die MRAM-Technologie ausgereift war, schien das Speichermedium für die Industrie zum ersten Mal eine „perfekte Lösung“ zu haben. Als einziger Hersteller im Inland, der die Massenproduktion von MRAM realisiert hat, hat Chitai Technology eine eigene 12-Zoll-Produktionslinie aufgebaut und dieses Medium als Erster in industriellen Anwendungen eingesetzt.

Das Dilemma der Speichermedien für die Industrie

Blickt man auf die letzten dreißig Jahre zurück, hat die Auswahl der Speichermedien für die Industrie mehrere Wechsel erlebt, und jeder Wechsel bedeutete die Verdrängung alter Medien durch neue Anforderungen.

Die 1970er und 1980er Jahre: Ära von EPROM und EEPROM. Die Programmund Parameterspeicherung früher Industrierechner hing von löschbaren programmierbaren Nur-Lese-Speichern (EPROM) ab. EPROM muss mit UV-Licht gelöscht und vollständig neu beschrieben werden, was die Wartung sehr umständlich macht; EEPROM ermöglicht elektrisches Löschen und unterstützt das byteweise Überschreiben, was die Wartbarkeit weitaus besser als bei EPROM macht, aber seine Schreib-Lebensdauer liegt nur in der Größenordnung von 10⁴ bis 10⁵, die Schreibgeschwindigkeit ist gering und die Kapazität kann nicht groß ausgelegt werden. Der Speicher dieser Periode löste das Problem der „Wiederprogrammierbarkeit“ und war bei weitem nicht in der Lage, Zuverlässigkeitsindikatoren zu erfüllen.

Die 1990er Jahre: NOR Flash übernimmt die Führung. Mit der Reifung der Flash-Speichertechnik ersetzte NOR Flash EEPROM schnell aufgrund seiner niedrigen Kosten, schnellen Lesegeschwindigkeit und ausgereiften Lieferkette und wurde zum Mainstream für die Code- und Parameterspeicherung von Industrierechnern, was bis heute andauert. Aber es erbt die grundlegende Einschränkung von EEPROM: Seine Schreib-Lebensdauer liegt nur in der Größenordnung von 10⁵, was bei der häufigen Datenerfassung überfordert ist; der Mechanismus „zuerst löschen, dann schreiben“ erhöht nicht nur die Komplexität von Anweisungen und Schaltkreisen, sondern bringt auch Datenverwaltungsrisiken bei jedem Schreibvorgang mit sich. Diese Kompromisse zeigen sich am deutlichsten in intelligenten Messgeräten. Zum Beispiel müssen die Mess- und Lastkurvendaten von Stromzählern kontinuierlich im Sekundentakt geschrieben werden, aber die Lebensdauer des Flash-Speichers reicht nicht aus. Daher hat die Branche eine Reihe komplexer technischer Praktiken entwickelt: Flash-Speicher durch Softwarealgorithmen „sparsam nutzen“, redundanten Speicher entwerfen und Daten regelmäßig verschieben, wobei die Ingenieure einen großen Teil ihrer Energie nicht auf das Kerngeschäft verwenden, sondern darauf, die Lebensdauer des Mediums zu schonen.

Das Schema SRAM + Batterie/Superkondensator + Flash/EEPROM tritt auf den Plan. Mit der Klarstellung der Anforderung von Industrieanlagen an die Datenerhaltung bei Stromausfall wurde die Kombination aus „Geschwindigkeit von SRAM + Erhaltungsfähigkeit der Batterie“ zu einer klassischen Kombination für die Datenerfassung bei Stromausfall. Aber die Datenerhaltung bei Stromausfall hängt vollständig von der Batterie ab, sodass die Betreiber regelmäßig Inspektionen und Austausch durchführen müssen; sobald die Batterie ausfällt und unentdeckt bleibt, gehen die Daten verloren. Das typischste Beispiel ist die SPS (Speicherprogrammierbare Steuerung). Als Kern des industriellen Automatisierungssystems erzeugt die SPS während des Betriebs Echtzeit-Prozess- und Ergebnisdaten, die Anforderungen an den Speicher nach schnellem Lesen und Schreiben und einer Schreib-Lebensdauer von Hunderten von Milliarden Zyklen stellen, was die Fähigkeit der herkömmlichen nichtflüchtigen Speicher zu dieser Zeit überstieg, sodass SRAM + Batterie zum Standard-Schema wurde. Bis heute befinden sich auf vielen SPS-Hauptplatinen noch Platz für Knopfbatterien.

Versuche anderer paralleler Wege: NVRAM. Die Industrie hat die Erforschung von nichtflüchtigen Direktzugriffsspeichern (NVRAM) nie eingestellt, hauptsächlich mit drei Arten von Schemen: FRAM (ferroelektrischer Speicher), NVSRAM und MRAM. Unter ihnen zeichnet sich FRAM durch eine hervorragende Schreib-Lebensdauer aus, aber seine Kapazität ist begrenzt und die Kosten sind relativ hoch, sodass es schwierig ist, die Datenerfassung mit mittlerer und großer Kapazität (über 4 Mb) zu übernehmen; NVSRAM muss mit Superkondensatoren ausgestattet werden, um das Speichern von Daten nach Stromausfall zu unterstützen, und seine Kapazität ist begrenzt (nicht mehr als 4 Mb) bei relativ hohen Kosten; MRAM benötigt keinen Kondensator, hat eine ausreichende Schreib-Lebensdauer und unterstützt Kapazitäten von 16 Mb und 64 Mb.

Im Wesentlichen lassen sich die Anforderungen von Industrierechnern an den Speicher in vier Sätzen zusammenfassen: nicht durch Schreiben zerstörbar, nicht verlierbar bei Stromausfall, an breiten Temperaturbereich anpassbar und wartungsfrei. Jede Generation von Medien löst einen Nachteil der vorherigen Generation, hinterlässt aber neue Schwächen. Keine der traditionellen Technologien kann diese vier Punkte gleichzeitig erfüllen, und die meisten Schemen erreichen die Anforderungen durch „Kombinationen“ und „Kompromisse“.

Hochzuverlässige industrielle Szenarien bringen die Speicheranforderungen auf das Maximum

Die seit vierzig Jahren ungelösten Schwächen sind in hochzuverlässigen industriellen Szenarien besonders ausgeprägt. In industriellen Anlagen gibt es eine große Anzahl von Echtzeit-Steuergeräten, die wichtige Daten wie Gerätezustände und Systemprotokolle in Echtzeit und schnell speichern müssen; Industrieanlagen müssen zudem rauen Umgebungen wie hohen Temperaturen und Vibrationen standhalten; darüber hinaus müssen Industrieanlagen normalerweise Ersatzbatterien verwenden, um Datenverluste durch unvorhergesehene Stromausfälle zu vermeiden.

Noch gravierender ist, dass hochzuverlässige industrielle Szenarien wie Petrochemie, Stromversorgung und Schienenverkehr eine Lebensdauer von Geräten von mehr als 15 bis 20 Jahren verlangen, sodass langfristige Wartungsfreiheit eine zwingende Voraussetzung ist; und intelligente Edge-Geräte werden oft in unbeaufsichtigten Standorten oder Standorten mit sehr hohen Wartungskosten eingesetzt, wobei jeder Austausch von Komponenten echte Wartungskosten bedeutet. Die Kritikalität und lange Lebensdauer bringen die Anforderungen an den Industriespeicher auf das Maximum.

Die spezifischen Ausprägungen dieser extremen Anforderungen sind erstens eine Schreib-Lebensdauer in der Größenordnung von 10¹⁴ (Billionen) Zyklen. In Szenarien mit häufiger Erfassung kann die Schreib-Lebensdauer des traditionellen Flash-Speichers von Hunderttausenden Zyklen bereits nach wenigen Monaten erschöpft sein, sodass das Medium vor dem Gerät ausfällt, was ein inakzeptables Ausfallmodell in industriellen Anlagen darstellt. Zweitens nichtflüchtig bei Stromausfall und Datenerhaltung für mehr als 20 Jahre. Nach der Inbetriebnahme von Industrieanlagen werden sie selten abgeschaltet, sodass die Datenerhaltung in Einheiten von zehn oder zwanzig Jahren berechnet werden muss; und diese Fähigkeit darf nicht durch Abnutzung beim Schreiben und Löschen abnehmen, was genau die Achillesferse aller EEPROM/Flash-Komponenten ist. Drittens eine Schreibgeschwindigkeit, die die sichere Speicherung von Daten im Moment des Stromausfalls unterstützt. Echte Zuverlässigkeit bedeutet nicht „eine Batterie als Sicherheitsnetz hinzufügen“, sondern dass wichtige Daten innerhalb von Millisekunden bei unerwartetem Stromausfall vollständig geschrieben sind. Dies erfordert eine Schreibperiode in der Größenordnung von mehreren zehn Nanosekunden und keine Abhängigkeit von zu wartenden Ersatzkomponenten. Viertens die Fähigkeit, im breiten Temperaturbereich von -40 bis 125 ℃ zu arbeiten. Umgebungen vor Ort wie Schienenverkehr, Stromversorgung und Metallurgie stellen weitaus höhere Anforderungen an die Temperaturanpassungsfähigkeit von Komponenten als Verbraucherprodukte. Fünftens die Fähigkeit zur Abdeckung verschiedener Kapazitäten. Intelligente Edge-Anwendungen lassen auch das Volumen der wichtigen Datenschicht wachsen: Betriebsprotokolle steigen von wenigen Kb auf mehrere Mb oder mehr, Fehleraufzeichnungen erfordern die Speicherung von Wellenformdaten im Minuten- oder sogar Stundenbereich, sodass zuverlässige Medien den gesamten Bereich von Kb bis hundert Mb abdecken müssen. Obwohl FRAM gute Leistungen erbringt, liegt seine Kapazitätsobergrenze bei nur wenigen Mb, sodass die Anforderungen an mittlere und große Kapazitäten nicht erfüllt werden können.

Für einzelne Indikatoren können traditionelle Schemen noch notdürftig zusammengestellt werden; aber wenn mehrere Indikatoren gleichzeitig erfüllt werden müssen, gibt es für die alten Technologien keine Lösung mehr. NOR Flash scheitert an der Schreib-Lebensdauer und dem Schutz vor Stromausfall; SRAM + Batterie scheitert an der Wartungsfreiheit und der Kapazität; Superkondensatoren scheitern an verdeckten Ausfällen; FRAM scheitert an der Kapazitätsobergrenze. Der Industriespeicher erfordert eine Evolution auf Ebene des Mediums.

MRAM: Die „erneute Evolution“ des Industriespeichers

MRAM (Magnetoresistiver Direktzugriffsspeicher) ist ein nichtflüchtiger magnetischer Direktzugriffsspeicher, der Daten mit dem magnetoresistiven Effekt speichert. Im Gegensatz zu herkömmlichen Halbleiter-Direktzugriffsspeichern (RAM) verwendet MRAM magnetische Tunnelübergänge (MTJ) als Speicherzellen und zeichnet binäre Daten durch Änderung der Magnetisierungsrichtung auf. Dieser physikalische Mechanismus bestimmt seine angeborenen Vorteile: Der magnetische Zustand bleibt nach dem Ausschalten des Stroms natürlich erhalten, also angeborene Nichtflüchtigkeit; das Schreiben erfolgt durch Umkehren der Magnetisierungsrichtung mit Strom, sodass die Lese- und Schreibgeschwindigkeit nahe an der von SRAM liegt; und es unterstützt byteweise zufällige Adressierung. Mit anderen Worten, MRAM verfügt von Grund auf gleichzeitig über die Geschwindigkeit von RAM und die Nichtflüchtigkeit von Flash und gilt als die praktische Lösung für den „idealen Speicher“.

Aus Sicht der Parameter sind die Indikatoren von MRAM sehr ausgezeichnet, genauer gesagt: Eine Schreib-Lebensdauer von 10¹⁴ bedeutet, dass selbst bei einer Million Schreibvorgängen pro Sekunde ein stabiler Betrieb von zehn Jahren möglich ist, was die Lebensdauerängste in Szenarien mit häufiger Erfassung vollständig beseitigt; eine schnelle Schreibperiode von 35 ns lässt wichtige Daten im Moment des Stromausfalls sicher speichern, ohne Kondensator oder Batterie, was die Kosten für regelmäßige Wartung und das Risiko verdeckter Ausfälle von Grund auf beseitigt; byteweise Adressierung und das Fehlen der Notwendigkeit, vor dem Schreiben zu löschen, vereinfachen das Schaltungs- und Anweisungsdesign, sodass der gesamte Datenpfad einfacher und zuverlässiger wird. Gleichzeitig macht seine Produktpalette mit Kapazitäten von Kb bis hundert Mb es zur einzigen Lösung unter den derzeit in Massenproduktion befindlichen NVRAM für mittlere und große Kapazitäten (>4 Mb), sodass für Parameterkonfigurationsbereiche, Geräteprotokollbereiche und Echtzeit-Datenpufferbereiche entsprechende Anwendungswege gefunden werden können.

Noch wichtiger ist, dass MRAM nicht mehr im Konzeptstadium verharrt. Der inländische Hersteller Chitai Technology hat eine eigene 12-Zoll-MRAM-Produktionslinie aufgebaut und ist der einzige Hersteller im Inland, der MRAM-Produkte in Massenproduktion anbieten kann. Es wurden Massenproduktionsplattformen mit 90 nm, 40 nm und 28 nm aufgebaut, die unabhängige MRAM-Produkte und kundenspezifische Entwicklungsdienste für eingebettetes IP anbieten können. Derzeit wurde Chitai MRAM in industriellen Szenarien wie Fehleraufzeichnung, häufiger Protokollerfassung und Datenspeicherung in breitem Temperaturbereich eingesetzt und bietet einen durch Massenproduktion validierten Speichergrundstein für hochzuverlässige Industrieanlagen.

Blockschaltbild des SPS-Prinzips

Durch die Verwendung des MRAM-Schemas kann die Batterie aus der SPS entfernt werden. Nach Informationen beträgt die Abtastfrequenz des digitalen Eingangsmoduls der SPS bis zu 500 Hz. Bei einer Gerätelebensdauer von 20 Jahren beträgt die kumulierte Anzahl von Schreibvorgängen bis zu 3000 Milliarden, was die Schreib-Lebensdauer des herkömmlichen nichtflüchtigen Flash-Speichers bei weitem übersteigt. Chitai MRAM löst drei Probleme mit einem einzigen Bauteil gleichzeitig: Eine Billion Schreibzyklen deckt die Schreibvorgänge während der gesamten Lebensdauer ab, nanosekundenschnelles Schreiben gewährleistet die Speicherung von Daten im Moment des Stromausfalls, und das Schema enthält keine Batterie mehr als Fehlerquelle, sodass das Speicherdesign der SPS zum ersten Mal während der gesamten Lebensdauer wartungsfrei sein kann.

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