第一個整合了記憶體的微處理器曾經為產業帶來變革。直接從內部存取記憶體不僅提高了輸送量與可靠性,也有助於消除故障點,並且降低系統成本。如今,有些微處理器由於整合多種類型記憶體,而提高了價值。然而,這一趨勢目前正在逆轉:記憶體開始反過來整合微處理器。這將再次掀起電子產業的變革,讓所有需要可靠性、安全性、監控功能和人工智慧(AI)的應用更加智慧。

主動感知故障

執行關鍵任務應用使用記憶體儲存元件安全地啟動系統、記錄關鍵資訊,並擴展工作記憶體以用於關鍵功能。這類需要「主動感知故障」(fail-safe)的應用包括先進駕駛輔助系統(ADAS)、可攜式醫療裝置、工廠自動化、防禦級感測器和先進無線通訊系統。每個應用都包含不容出現故障的關鍵任務功能或子系統,一旦發生故障往往要付出高昂的代價,如系統損壞、成本高昂的停機和/或人身傷亡。

從記憶體角度來看,主動感知故障的運作要求包括:

  1. 系統可確保某個值能夠儲存在記憶體中,並且能夠後續檢索該值;
  2. 系統知道特定值是否不再可靠,因而能採取校正措施。

雖然不斷微縮的製程技術已經進一步提高了記憶體密度,但同時也增加了記憶體出現故障的風險,如宇宙射線粒子導致的位元翻轉。因此,記憶體的可靠性迅速成為所有關鍵任務應用OEM的一致關注點,尤其是在必須符合安全法規和永不停機應用的產業中。

主動感知故障的系統需要準確地儲存開機程式碼,並可靠地使用該程式碼啟動。隨著汽車逐漸實現自動駕駛,汽車的「智慧」部分需要準確的感測器資料才能進行決策。資料錯誤可能導致誤報危險。因此,需要更多的系統記憶體來提供高可靠性,以確保安全運行。

為了提高記憶體的可靠性,主處理器將運算錯誤校正碼(ECC)值並儲存該值,以便系統後續驗證讀取的資料與儲存的資料是否相同。此外,ECC還便於系統校正潛在錯誤。然而,ECC值需要佔用主處理器資源才能運算。系統還必須確保ECC值在儲存時不致於發生位元翻轉。

高可靠任務的另一示例是非揮性記憶體(NVM)的損耗均衡。因為NVM單元耐久度有限,頻繁發生寫入的系統必須分散單元的使用,讓損耗散佈在整個記憶體上,以避免部分儲存區塊過早失效。實施有效的損耗均衡會對於主機處理器造成額外的負擔。

主動感知故障的記憶體

當今最先進的記憶體產品經過最佳化,能夠滿足關鍵任務應用的需求。它們經過專門設計,可以在高密集的工作負載和嚴苛環境下儲存、保護和恢復資料。這些增強型記憶體在內部整合了運算功能,實現高度的功能安全性與可靠性。整合運算還能實現附加功能,如用作信任根等。

主動感知故障的記憶體並不依靠主處理器來確保記憶體可靠性,而是自行管理這一功能。這樣可以實現即時啟動等重要功能,因為這種方式比使用主處理器驗證和載入啟動程式碼更快。此外,配置資料的完整性和其它重要資料的完整性,能迅速可靠地在主動感知故障的記憶體中完成驗證。先進記憶體還能監控自身運作,以確保主處理器和記憶體間的讀寫完整性。

使用具備嵌入式功能的主動感知故障的記憶體,還能大幅加快產品上市時程。為需要滿足安全要求的應用設計高可靠性功能需要花費時間。同時需要開展廣泛的分析,以驗證其合規性。主動感知故障的記憶體整合了這些功能,可以同時節省時間與成本。

不必採用較高性能的主處理器來驗證記憶體可靠性,還能進一步節省成本。將必要的處理功能整合到記憶體中,能降低使用新一代智慧記憶體的總體BOM成本。

從SRAM到NOR快閃記憶體、F-RAM和NVRAM等非揮發性元件,所有類型的記憶體都可使用主動感知故障的功能。例如,FRAM/NVRAM用於自動駕駛車的資料記錄或軌跡計算,也需要具備與NVM一樣的可靠性,NVM用於儲存進行計算所需的應用程式碼。

記憶體的未來

雖然智慧記憶體的主要優勢是提高可靠性,它同時還具備了另一項越來越重要的好處,那就是為創新提速。安全法規的變化很快,安全功能需要能夠持續因應新的安全威脅。相較於使用軟體建置,透過記憶體與處理器相整合的架構,OEM能夠更快地落實新的安全措施。此外,由於智慧記憶體子系統能夠符合安規要求,現有應用也能立即適應這些安規的要求。而且,只需簡單地更換記憶體,OEM就能為產品線導入全新的可靠功能。

主動感知故障的記憶體還可以用於保護資料安全。嵌入式處理器的記憶體同時可以整合加密引擎,因而能更安全地儲存資料。由於記憶體的接腳數一般小於處理器所需的接腳數,因此,這些功能及其它先進功能可以在記憶體中以相對較低的成本實現。

然而,保護資料安全只是個開始。試想一下,未來記憶體能夠在儲存資料前就對感測器資料進行計算。由於安全記憶體不依靠外部處理器,因此它們本質上擁有更高的可靠性。

未來,智慧記憶體將以不計其數的方式協助主機進行處理工作。

今後,商用記憶體將繼續在市場上發揮作用,但對於故障零容忍的應用來說,主動感知故障的記憶體將提供資料儲存之外的安全功能,這將徹底改變高可靠性和高安全性系統的設計方式。

(參考原文:Mission-Critical Applications Drive Need for Smarter Memory,by Amr Elashmawi)