Macronix: schnelles NOR-Flash Nicht-flüchtig mit hoher Performance

Dashboard-Demonstrator: Kombi-Instrument mit NOR- und NAND-Flash von Marconix

Der taiwanische Speicherspezialist Macronix widmet sich seit 25 Jahren den nicht-flüchtigen Speichern und hat Schlüsseltechnologien entwickelt, aus denen mehr als 5700 Patente resultieren. Derzeit fertigt Macronix ein breites Programm an ROM-, NOR-Flash- und NAND-Flash-Speichern für Embedded, Consumer, Enterprise, Wireless und Automotive. Mit dem seriellen OctaNOR-Flash wird die Übertragungsrate des Quad-I/O-Flash verdoppelt.

EEPROMs werden in ausgesuchten Applikationen immer noch eingesetzt, obwohl sie begrenzt in der Speicherdichte und relativ teuer sind. NOR dient typisch als Boot-Medium und Speicher für Applikations-Software, weil es zuverlässig ist und Speicherumfänge bis 1 GBit zu günstigen Preisen bietet. NAND wird in Massenspeichern ab 1 GBit genutzt – auch das zu attraktiven Preisen –, bedingt aber den Einsatz eines Treibers, was die Systemkosten erhöht. Alle diese Anwendungen eint das Merkmal, dass Boot/Application-Code und Daten dauerhaft gespeichert werden müssen. Doch in die heutigen SoCs, MCUs und ASICs mit ihren Prozesstechnologien unterhalb 30 nm lassen sich die Flash-Speicher nicht mehr direkt integrieren, weil sie in diesen Strukturbreiten nicht verfügbar sind.

Deshalb werden weiterhin externe NOR-Bausteine benötigt – weil kleinere Dimensionen der Fertigungstechnologie nicht unbedingt einen Vorteil für nicht-flüchtige Speicher bedeuten, sondern spezifische Fehlerkorrekturen bedingen. Das betrifft insbesondere den Datenerhalt und die Zuverlässigkeit. Die Speicherentwicklung sollte deshalb auf einen geeigneten Technologie-Node fokussieren und die Performance und Funktionalität der Bausteine erhöhen.
Multi-Tasking- und Multi-Prozessor-Systeme erfordern heute nicht nur leistungsfähige und große Flash-Bausteine, sie müssen auch niedrige Preise, geringe Pin-Zahlen und einfache Interfaces bieten. Höhere Performance erfordert einen breiteren Datenbus. Doch die derzeit verfügbaren seriellen Flash-Bausteine haben zwei grundsätzliche Einschränkungen: erstens in der Zahl der I/O-Pins (gegenwärtig vier im Quad-I/O), und zweitens, noch wichtiger, in der erreichbaren Clock-Rate (um 133 MHz). Diese ist nicht unbedingt an den Baustein gebunden, sondern resultiert aus den Laufzeitverzögerungen zwischen SoC/ASIC und Flash. Bei schnellerem Takt erscheinen die Ausgangsdaten des Flash zu spät in Bezug auf den SoC/ASIC-Takt und werden von diesem nicht mehr zuverlässig erfasst.

Das neue serielle OctaNOR-Flash von Macronix zielt speziell auf diese Probleme. Trotzdem bietet es ein einfaches Interface mit geringer Pinzahl zu attraktivem Preis. OctaFlash umfasst zahlreiche innovative Funktionen wie etwa acht I/O-Pins. Außerdem wird in jedem Taktzyklus 1 Byte an Daten übertragen. Das ergibt die doppelte Übertragungsrate des gegenwärtigen Quad-I/O-Flash – und die achtfache mit Single-I/O bei derselben Taktfrequenz. Der DTR-Betriebsmodus (Double Transfer Rate) unterstützt, unter Nutzung der steigenden und fallenden Flanken des Taktsignals für Instruktionen, Adressen und Daten. Das verdoppelt die Bandbreite, ohne die Zahl der Pins oder die Taktrate zu erhöhen. Mit 200 MHz erreicht der Baustein im DTR-Modus seine Zielbandbreite von 400 MByte/s.

Der Data-Strobe-Pin (DQS) ist ein zusätzlicher Ausgang mit einem Referenz-Takt. Damit kann der SoC/ASIC die ankommenden Daten bei hohen Taktraten wesentlich besser erkennen. Das DQS-Signal kann auch als spezieller Datenpunkt interpretiert werden, der eng (quellen-synchron) an die eigentlichen Nutzdaten gebunden ist. Strobe-Signale sparen Leistung ein, weil sie nur in Anwesenheit von Daten aktiv sind, im Gegensatz zu den kontinuierlich laufenden Taktsignalen. Nur ein zusätzlicher Pin wird für diese Synchronisation benötigt, ein invertiertes DQS-Signal entfällt. Sofern das System im Hochgeschwindig-keits-DTS-Modus arbeitet, synchronisiert der Macronix-Flash-Baustein das DQS mit SIO[7:0]. Damit kann der SoC/ASIC das Zentrum des gültigen Datenfensters (»Data Eye«) lokalisieren, um auch bei hoher Geschwindigkeit zuverlässig zu arbeiten.

Viele ältere (»legacy«) und aktuelle Applikationen starten typisch im Single-I/O-Modus und wechseln anschließend in den Hochgeschwindigkeits-Modus für den Flash-Zugriff. Zur Gewährleistung der Abwärtskompatibilität bietet das OctaFlash Flash weiterhin die Single-I/O-Funktionalität nach dem Start. Das minimiert Firmware-Anpassungen verkürzt den Entwicklungszyklus der Applikation.