Stimolata dalla dirompente domanda del mercato dei beni di largo consumo e della telefonia cellulare, dei settori automobilistico e industriale, e delle emergenti applicazioni dell'Internet degli Cose, la tecnologia delle memoria flash sta migrando velocemente verso nodi di processo con dimensioni geometriche sempre più piccole. La memoria flash Nand con cella a singolo livello (Slc Nand), che prevede la memorizzazione dii un bit per cella e che sopporta circa 60.000 cicli di scrittura/cancellazione, è oggi la memoria flash più utilizzata in queste tipologie di applicazioni. L'aumento della densità di una cella di memoria flash che si ottiene passando, ad esempio, dal nodo di processo a 43 nm a quello a 24 nm, permette ai progettisti hardware di migliorare la funzionalità del sistema e di memorizzare, in un piccolo spazio e a prezzi competitivi, una quantità maggiore di contenuti informativi, come l'immagine di boot, l'immagine del sistema operativo, il codice di programma e il codice applicativo.
Il problema della correzione degli errori
Un ostacolo all'uso diretto della normale struttura Slc Nand a nodi tecnologici più piccoli è il fatto che dimensioni più piccole implicano che le singole celle sono più vulnerabili ai danni da stress. Nel tempo, il numero di celle danneggiate si accumula, generando una maggiore percentuale di errori nei dati prelevati. L'unico modo per gestire questo progressivo deterioramento è effettuare la correzione degli errori su tutti i dati letti dal dispositivo, utilizzando un algoritmo Ecc (Error Correction Code). La flash Slc Nand a 43 nm richiede un Ecc a 1 bit, per densità fino a 4 Gb. Un algoritmo Ecc a 1 bit, per definizione, è in grado di correggere un bit errato su 512 byte. A nodi tecnologici più piccoli serve un algoritmo di correzione sempre più complesso; per processi Slc Nand inferiori a 40 nm occorre un Ecc di 4 bit su 512 byte, che sale a 8 bit per dispositivi fabbricati a 24 nm. La Figura 1 mostra come, a nodi tecnologici più avanzati, la diminuzione dei costi procede di pari passo con l'aumento della complessità dell'algoritmo Ecc. Con una Slc Nand grezza, la norma è sempre quella di eseguire l'Ecc nel processore host. Un algoritmo Ecc a 1 bit ha un impatto minimo sulle risorse di elaborazione per la maggior parte delle applicazioni. Un algoritmo a 4 o a 8 bit, invece, richiede cicli di elaborazione più impegnativi e potrebbe anche richiedere un microcontrollore più potente, con conseguente aumento di costi e consumi. In un sistema già esistente, il potenziamento del processore o le modifiche al software potrebbero essere operazioni proibitive che impedirebbero ai produttori di aggiornare le proprie apparecchiature alla tecnologia flash di nuova generazione. La Nand con algoritmo Ecc incorporato, o Benand, è un nuovo tipo di memoria flash Slc Nand con funzione Ecc integrata, in grado di sgravare il processore host dalla funzione di correzione degli errori. Non occorre alcun controller hardware supplementare; Benand utilizza la classica interfaccia Nand, garantendo la compatibilità con la flash Slc Nand in operazioni come l'impostazione dei comandi, il funzionamento del dispositivo, l'incapsulamento e la configurazione dei contatti. Il sistema host si occupa di funzioni come la gestione dei settori danneggiati, il livellamento dell'usura, la mappatura degli indirizzi e la raccolta dei file da eliminare in modo analogo alla Slc Nand. La Fig. 2 fa un confronto tra i due approcci. Nel complesso, le prestazioni di Benand sono simili se non, in alcuni casi, addirittura migliori rispetto alla Slc Nand grezza. Sebbene il datasheet di Benand dichiari tempi di lettura e di programmazione più lunghi, questi vengono compensati dall'assenza di una qualsiasi elaborazione Ecc sul lato host.
Progettare con Benand
I dispositivi Benand sono disponibili con densità da 1 a 8 Gb, incapsulati nei classici contenitori Tsop-I-48-P e Bga a 63 contatti, con piedinature compatibili con i noti contenitori Slc. È altresì disponibile una versione Bga di piccola taglia (6,5 x 8,0 mm) a 67 contatti, che permette ai progettisti di soddisfare le stringenti esigenze di spazio dei nuovi sistemi. La diretta compatibilità di piedinatura e contenitore tra Slc Nand grezza e Benand permette una sostituzione immediata in caso di upgrade alla flash di ultima generazione. Non occorre alcun algoritmo Ecc sul lato host, che va invece disabilitato se si vogliono ottenere le prestazioni ottimali. Se la disabilitazione dell'Ecc lato host non è possibile per qualche ragione, Benand invierà in ogni caso all'host i dati Ecc corretti. Poiché Benand si assume la piena responsabilità per la funzione Ecc e fornisce dati validi correggendo gli errori generati dalle celle di memoria danneggiate, il sistema in genere non è consapevole delle condizioni fisiche delle celle Nand. Se serve, il sistema può controllare lo stato degli errori Ecc eseguendo il comando Status Read. Ciò permette di visualizzare il numero dei bit di errore per ciascun settore di dati dopo un'operazione di lettura e consente al sistema di accorgersi se i dati erano correggibili, correggibili tramite refresh, oppure non correggibili.
Benand in azione
I tecnici Toshiba hanno permesso a diversi clienti di integrare Benand nei progetti nuovi o esistenti, offrendo i vantaggi della migrazione verso la più recente tecnologia di processo e contribuendo ad evitare gli alti costi associati a una riprogettazione significativa del sistema o all'utilizzo a lungo termine di tecnologie tradizionali.
- Estendere la durata del prodotto - Toshiba ha aiutato un cliente ad estendere in modo economico e soddisfacente la durata di un auricolare Bluetooth per il mercato degli accessori automobilistici. L'architettura di sistema è basata su un SoC personalizzato, che combina un nucleo processore Arm insieme a funzioni Asic. Il progetto originale utilizzava una Slc Nand con Ecc a 1 bit per memorizzare il codice di boot, l'immagine del sistema operativo, il codice applicativo, i parametri applicativi e i dati utente. Le risorse di elaborazione disponibili erano insufficienti a soddisfare le maggiori richieste Ecc delle nuove generazioni di Slc Nand. Per garantire una resa a lungo termine al fine di proteggere il denaro investito nella proprietà intellettuale del SoC personalizzato, il produttore aveva preso in considerazione un programma di supporto alla longevità per garantire una fornitura di componenti Slc Nand originali per tutta la vita commerciale prevista. Si riuscì ad evitare il costo di questo programma scegliendo un dispositivo Benand da 24 nm compatibile a livello di contenitore. Questa soluzione contribuì ad evitare la necessità di cambiare il progetto del circuito stampato, mentre i più economici dispositivi da 24 nm consentirono di ottenere un risparmio sui costi. La produzione poté iniziare dopo un breve collaudo di sistema con i nuovi dispositivi Benand.
- Risparmiare sui costi di progetto - Un cliente, nelle fasi finali di sviluppo di un piccolo sistema di controllo industriale comprendente un microcontrollore combinato con una normale Slc Nand grezza che eseguiva un Ecc a 1 bit nel microcontrollore, riuscì a prevenire i problemi legati all'introduzione di nuove generazioni di Slc Nand fabbricate a nodi tecnologici più avanzati e che quindi richiedevano una Ecc più complessa. Poiché il software applicativo era strettamente collegato alle caratteristiche periferiche del microcontrollore host, per sostituire il microcontrollore con una variante a maggiori prestazioni in grado di ospitare una Ecc fino a 8 bit, erano necessarie significative modifiche al software, con aggravio di costi e di ritardi al progetto. Un'alternativa era, come per il caso precedente, preparare un programma di supporto alla longevità per garantire una fornitura a lungo termine della tradizionale Slc Nand con Ecc da 1 bit. Tuttavia, un dispositivo Benand da 24 nm fornì una soluzione migliore. In qualità di sostituto immediato della tradizionale Slc Nand grezza, Benand offre vantaggi in termini di densità e di costi ed è in grado di memorizzare, come prima, tutto il codice di boot, driver di basso livello per le periferiche del microcontrollore, l'immagine del sistema operativo, il codice applicativo, parametri applicativi e dati utente. La migrazione verso una tecnologia più recente fornisce inoltre la garanzia di una disponibilità a lungo termine senza richiedere un programma di supporto dedicato. Come prima, il progetto poteva progredire dopo un breve collaudo di sistema inserendo i dispositivi Benand.
Velocità, versatilità ed efficacia
Con l'inarrestabile aumento delle funzioni richieste dal mercato e la necessità di avere prezzi sempre più competitivi, i progettisti devono ricorrere alle più recenti tecnologie di memorizzazione, come la flash Slc Nand a 24 nm. L'impiego a lungo termine di tecnologie vecchie comporta rischi di indisponibilità del prodotto e impone spese aggiuntive. La flash Benand con Ecc incorporata semplifica la migrazione dei progetti nuovi ed esistenti, offrendo velocità, versatilità ed efficacia in termini di costi, con sostituzioni rapide che non pesano sulle funzioni del sistema host.
