Los pequeños sistemas autónomos y embebidos, como sistemas de apertura de puertas de garaje, taladros eléctricos, equipos para líneas de fabricación y sistemas de análisis médico, suelen incorporar un microcontrolador de 8 bit o 16 bit rodeado por una serie de circuitos integrados analógicos y sensores, circuitos integrados de interfaz para visualización y comunicación, y en algunas ocasiones, SRAM, EEPROM y Flash NOR que no vienen incluidos en el microcontrolador seleccionado (ver Figura 1).

A los fabricantes de los equipos finales les satisfice enormemente que estos productos industriales o médicos se sigan comercializando durante 20 años o incluso más. Cuando un suministrador de circuitos integrados anuncia la retirada de un producto debido a la adopción de un nuevo proceso, la recualificación se convierte para estos fabricantes de sistemas en un quebradero de cabeza que desvía recursos de ingeniería y añade un gasto imprevisto a los planes existentes. Los circuitos integrados Flash NOR (estos productos en general necesitan entre 1 Mbit y 8 Mbit) son dispositivos cuya longevidad es especialmente costosa. Esto se debe a que los miembros de la familia Flash NOR de mayor densidad (256 Mbit a más de 1 Gbit) determinan las decisiones empresariales de los proveedores de memoria, por lo que hay una presión constante hacia la introducción de procesos de geometrías más pequeñas y una vida útil más corta del producto. Este artículo analiza el problema de la longevidad de Flash NOR y la solución de Microchip Technology.

Previsiones para la memoria de baja densidad
Los principales suministradores de Flash NOR se centran, como es lógico, en dispositivos de memoria con un alto margen, alto volumen y alta densidad. Cada compañía se responsabiliza de centrarse en sus puntos fuertes para obtener los máximos beneficios y aportar el máximo valor y el menor coste a sus clientes. En las cuatro décadas de Flash NOR, esto ha significado que los suministradores de memorias supervivientes han tenido que abandonar sus productos de memoria de menor densidad de años anteriores. A medida que evoluciona la gama de muy alta densidad, pocos años después, la gama de muy baja densidad llega al final de su vida útil y el límite inferior también sube. Para los suministradores de sistemas embebidos cuyos productos tienen más de 20 años, estas alteraciones en los circuitos integrados pueden significar no solo una nueva versión del dispositivo del suministrador actual, sino también un nuevo suministrador.
Una solución a este doloroso problema es que el diseño del sistema esté “preparado para el futuro”, utilizando para ello un circuito integrado Flash NOR de 128 Mbit para almacenar 4 Mbit de código de programación del usuario. Sin embargo, este enfoque puede crear ineficiencias en el consumo y el coste total del sistema. Otra solución consiste en recurrir a un suministrador de memoria Flash NOR no tradicional que tenga otras razones de tipo empresarial para suministrar el mismo producto de memoria durante más de 20 años. Es posible que ese suministrador no tenga las economías de escala en volumen de memoria para ofrecer el menor coste actual para oferta de primer precio sino que, a lo largo del tiempo, al tener en cuenta los costes de recualificación y los recursos de ingeniería perdidos para efectuar estas recualificaciones se obtenga una respuesta con un coste mucho menor a este problema de suministro.
Microchip advirtió esta situación cambiante hace años ya que afecta a una amplia base de clientes embebidos. El efecto negativo de esta tendencia de la densidad sobre los planes y los objetivos del negocio exigieron corregir la estrategia empleada. El resultado es un suministrador no tradicional de circuitos integrados de memoria Flash NOR que proporciona circuitos integrados SRAM serie, EEPROM serie, analógicos y sensores. Estas “otras razones empresariales” ofrecen la motivación necesaria para seguir suministrando circuitos integrados Flash NOR de baja densidad mientras los clientes los precisen. Obsérvese también que estos productos de memoria alcanzan densidades incluso superiores a 64 Mbit, que los suministradores especializados en memorias seguirán suministrando durante los próximos 20 años o más.

La Figura 1 representa los tipos de sistemas comentados: un microcontrolador rodeado de otros circuitos integrados para dotar de vida y sentido a la aplicación embebida. En este ejemplo, la Flash NOR de 8 Mbit que aparece destacada contiene algunas imágenes de la pantalla que se comparten por medio del circuito integrado a la salida de la pantalla táctil siempre que lo solicita el código de programa, que en este caso está embebido en el microcontrolador. Las principales características de este circuito integrado de memoria Flash NOR externo son: 1) 8 Mbit, 2) interfaz SPI estándar, 3) baja corriente en espera, 4) baja corriente de escritura, 5) pequeña superficie y 6) disponibilidad en producción durante 20 años.

 
La Tabla 1 ofrece una comparación entre las dos soluciones propuestas: un circuito integrado Flash NOR de 128 Mbit preparado para el futuro y una Flash NOR de 8 Mbit con disponibilidad a largo plazo de un suministrador de memoria no tradicional. Está claro que el circuito integrado Flash NOR de 8 Mbit cumple mejor los requisitos de la aplicación embebida.

Tabla 1. La comparación entre un circuito integrado Flash NOR de 128 Mbit y una Flash NOR de 8 Mbit revela claras ventajas.

Uso de Flash NOR de baja densidad
Como se ha explicado, si bien es posible que la Flash NOR de baja densidad no se ajuste a los planes o la estrategia de los grandes suministradores de Flash NOR, sí encaja a la perfección en la gama de productos y la estrategia de una compañía especializada en productos embebidos para un enfoque basado en sistemas. Por ejemplo, es habitual que un hogar medio tenga varias decenas de sistemas embebidos con microcontroladores de 8, 16 o incluso 32 bit. Muchos de estos sistemas no requieren una gran cantidad de código donde la Flash NOR a menudo proporciona código de programa, datos de calibración, parámetros de calibración y registros de eventos, entre otras cosas.
Aunque muchos microcontroladores se suministran con Flash incorporada para asumir estas tareas, hay situaciones, como en la Figura 1, en las que tiene más sentido recurrir a Flash NOR externa para algunas de estas funciones. Las razones más comunes son el equilibrio entre el coste de la lista de materiales y el tamaño de la Flash ofrecida por el microcontrolador, el desajuste entre la función del microcontrolador y los tamaños de la Flash embebida, un tiempo más rápido de reprogramación de Flash para pruebas durante la fabricación en línea y en el sistema para actualizaciones en campo, entre otras.
Además, los ASIC (application-specific integrated circuits, ASIC) con menos puertas, como las FPGA (field-programmable gate arrays) y los CPLD (complex programmable logic devices) utilizan Flash NOR de baja densidad para programar en la aplicación, como código de arranque y para funcionamiento en modo XIP (execute-in-place). Los circuitos integrados de memoria Flash NOR son perfectos para aplicaciones XIP que ofrezcan un bajo consumo en espera y sean directamente accesibles a través de una interfaz serie estándar como SPI.
Los dispositivos de memoria Flash NOR de baja densidad, disponibles en encapsulados de 8 patillas como SOIC de 8 terminales y WDFN (6mm x 5mm) de 8 contactos, también aprovechan el espacio en la placa de forma muy eficiente. Para aplicaciones con limitaciones de espacio, como por ejemplo un cepillo dental eléctrico, un encapsulado WLCSP (Wafer Level Chip Scale Package) ofrece un considerable ahorro de espacio (casi el 69%) como muestra la Figura 2.

Figura 2. La diferencia en el tamaño del encapsulado entre un WLCSP de 8 Mbit y 128 Mb puede ser bastante significativo, sobre todo si el espacio es muy escaso.

Tiempos de reprogramación de Flash 1000 veces más rápidos

Si bien Microchip no es un suministrador tradicional de memorias, sí fabrica una gran cantidad de memorias Flash. No en vano, cada año se entregan miles de millones de microcontroladores que incluyen Flash. Una memoria Flash también ofrece una importante ventaja técnica y estratégica denominada tecnología SuperFlash®. Estas células de memoria Flash están estructuradas para proporcionar los tiempos de borrado más rápidos del mercado: 20 veces más rápidos para borrar bloques y 1000 veces más rápidos para borrar todo el chip. Aunque no habitual reprogramar una Flash NOR en el mundo de los grandes suministradores de memoria Flash NOR, se ha convertir en una enorme ventaja en pequeños sistemas embebidos ya que reduce los costes de fabricación (reprogramar la imagen de la memoria en la línea de fabricación para mejorar el ámbito de pruebas del sistema) y ofrece un método rápido y de bajo consumo de actualizar un sistema en campo. Volviendo a la comparación anterior de 128 Mbit, una Flash NOR de 128 Mbit (sin tecnología SuperFlash) se suele caracterizar por un tiempo máximo de borrado de bloque de 0,7 s a 1 s. En cambio, la Flash NOR de 8 Mbit (con la mejora que aporta SuperFlash) presenta un tiempo máximo de borrado de bloque de tan solo 25 ms (30 veces más rápido). Además de ahorrar tiempo, la diferencia de consumo al borrar/reescribir es de ~800 ms * 33 mA en el borrado de cada bloque para un ciclo de reescritura.

Flash NOR embebida en nuevos diseños

Como compañía líder en soluciones inteligentes, conectadas y seguras de control embebido, Microchip Technology tiene una perspectiva única acerca de muchas partes de los sistemas embebidos y la Flash NOR forma parte integral de esta visión. Para aportar confianza a diseños que puedan tener una vida útil del orden de décadas ha establecido unas prácticas cuyo objetivo es garantizar la disponibilidad mientras los clientes necesiten productos de sustitución. Si bien es posible que algunos suministradores dejen de utilizar productos Flash NOR e incluso que declaren su retirada del mercado, este compromiso puede garantizar la disponibilidad para aplicaciones de volumen medio, pequeño e incluso grande. Esta longevidad asegura que los clientes puedan cubrir las necesidades del sistema embebido durante tanto tiempo como sea necesario.

SuperFlash es una marca registrada de Microchip Technology.

Autor:  Grant Hulse, División de Productos de Memoria, Microchip Technology