강유전체 메모리 번역

강유전체 메모리 번역(영어 원본)

Introduction
With the proliferation of near field communication (NFC)enabled handsets, a new market arises for NFC endpoint sensor solutions where the functionality of the device can be programmed at the manufacturing site or out in the field. These NFC devices should scavenge sufficient energy to power the NFC communication module, the sensor, the microcontroller and enable data logging of sensor collected data. Unlike other wireless sensor networks, the energy consumption breakdown of the NFC system is not dominated by the RF component. In this case, the energy required to store the sensor collected data is a dominant parameter. With ferroelectric random access memory (FRAM0 technology the overall memory storage requirements are orders of magnitude lower compared to other non-volatile memory technologies such as EEPROM or Flash. This reduces the requirements on the energy scavenging solutions, whether RF based, as in the case of NFC passive RF communication or other suitable energy scavenging solutions as well as maximizes battery lifetimes of the wireless sensor network. In addition, NFC solutions in a number of applications will require safe guarding of the sensor collected data such as in the medical space. FRAM-based solutions with fast write times and low-write currents help protect against unwanted attacks.

RF430FRL152H Novel Ferroelectric RAM Memory (FRAM) NFC Embedded Tag Based Sensors
RF430FRL152H Dynamic NFC Sensor Solution
The RF430FRL152H device is suited for NFC sensor applications. This differentiated offering by Texas Instruments provides an NFC front end supporting an ISO15693 RF protocol, a 16-bit microcontroller and 2KB of universal FRAM memory all integrated in a single device. The embedded MSP430™ microcontroller core enables the device to be programmed and allows for standalone functionality without the need for a host controller. Other advantages to having programmable functionality embedded on the device includes the ability to handle multiple sensors, the ability to enable customization of arithmetic processing of sensor data, fast customization of
sensor data collection and the ability to provide for a field upgradable solution. In addition, the RF430FRL152H device supports the integration of digital sensors through the I2C/SPI interface or analog sensor through a 14-bit sigma-delta analog to digital converter. The onboard power management allows functionality with power coming from a separate single cell battery or through scavenged RF energy. The scavenged energy from a handset providing a continuous RF field can also be used to power an external sensor. The onboard power management also enables the battery to be connected and disconnected via an RF command.

Power Efficiency Analysis of NFC Wireless Sensor Networks
The analysis of most typical wireless sensor networks (WSN) tends to focus primarily on the energy consumption of the RF communication channel as this tends to drive the overall power consumption breakdown. These active wireless sensors are required to periodically transmit the sensor collected data to a gateway where the data is stored in a central database. The transmission occurs either directly to the gateway or through a hopping mechanism via adjacent nodes. Thus each node is expected to transmit its own set of data and be prepared to retransmit the data from adjacent nodes. The requirement to retransmit data from adjacent nodes and the need to respond to commands from these nodes or the gateway itself, brings about a requirement to enable an active listening cycle, which in addition to the data transmission, drives the overall RF power requirements in active WSNs. In the case of NFC endpoint sensors, RF communication occurs through a passive transmission of the endpoint data eliminating this component from the power consumption analysis. The power consumption breakdown is now driven by all the other components of the system. This includes the power requirements for data logging, the power consumption of the sensor and any other peripherals that may be included in the system such as an LCD display. For an embedded microcontroller solution we also need to account for the energy consumption during active and sleep modes. In order to extend the battery lifetime of the system, each of these components needs to be understood and optimized for the specific use conditions.

Active wireless sensor nodes tend to ‘cache’ the sensor collected data in the SRAM for temporary storage prior to transmitting to the gateway as opposed to storing in non-volatile memory. Storing in SRAM is more power efficient compared to storing in Flash or EEPROM, alleviating the overall power requirements of the
system. As the data is periodically transmitted to the gateway, the amount of data that is temporarily stored is relatively low. For the case of NFC wireless sensor nodes, the device is typically expected to hold the sensor data for an extended period of time which drives the need to store the data in non-volatile memory. Storing in
non-volatile memory also provides the added benefit of being able to retrieve the data when the battery is no longer operational. Non-volatile FRAM technology drives a rethinking of wireless sensor network design by exploiting the high capacity and highly energy efficient storage capabilities. This memory technology allows
for a larger amount of sensor data to be stored locally prior to transmission to the gateway. By taking advantage of the aggregation of this larger amount of data, the overall system energy efficiency is additionally optimized.

In this paper, we look at the use of the RF430FRL152H device for low power NFC sensor solutions and consider the impact and benefits of embedded non volatile FRAM technology in these applications. A subsystems energy consumption model which accounts for the major components in the system is used to determine the power efficiency under a number of use conditions and enables a comparison of the different memories. The model is extended to derive battery lifetime estimations and a comparison is carried out among the different NVM memory technologies. The use of FRAM memory enables lower capacity batteries to be used in the solution. The savings come not just from the ability to support lower capacity batteries but in not having to overcompensate to prevent having to replace the battery more often (replacement costs account for a large percentage of the overall system cost).

Benefits of Embedded FRAM Memory Technology
FRAM is a non-volatile memory technology with similar behavior to DRAM. Each individual bit can be accessed and unlike EEPROM or Flash, FRAM does not require a special sequence to write data nor does it require a charge pump to achieve the higher programming voltages. FRAM programs at 1.5V versus the 10-14V of Flash
or EEPROM. While Flash programming occurs through a tunneling mechanism, FRAM programming relies on a ferroelectric effect to induce polarization in a dipolar molecule. The ferroelectric effect occurs due to the electrical dipole formed by Zirconium (Zr) and Oxygen (O) atoms in the ceramic Lead-Zirkonate-Titanate crystal
(PZT) of the FRAM cell. The electric field causes a polarization hysteresis effect as it moves the Zi-atom within the PZT crystal with increasing field strength. The hysteresis occurs as a result of the interaction of this Zi-atom with the O-atoms. The Zi-atom is moved from one direction or the other by the polarity of the electric field. Unlike a magnetic hysteresis effect, the polarization hysteresis of the PZT molecule is not influenced by external magnetic fields. The Zi-atom will remain in place unless an electric field is applied and provides for non-volatility of the memory when power has been removed. This means that it wears down far less if at all for each memory operation, and consequently lasts over 1 billion times longer than Flash. Finally, since FRAM is not written through a tunneling mechanism, it is up to 1000x more resistant to radiation such as gamma rays than Flash/EEPROM.

In addition, FRAM does not need a pre-erase cycle and the molecule polarizes in one or two nanoseconds, so the write operation is about 1000x faster than the previously mentioned non-volatile counterparts. Because the speed of FRAM is equivalent to embedded Static RAM in many microcontrollers in addition to its dynamic
accessibility and non-volatility, it is what is commonly referred to as a Universal Memory. This means it can function as the data memory or the program memory at any given time in its life. This gives designers the freedom to create embedded software that relies heavily on data processing or not at all depending on their
specific needs without worrying about the limitations of the microcontroller. No other embedded memory can claim this feature.

강유전체 메모리 번역(한국어 번역본)

머리말
근거리 통신 (NFC)이 가능한 핸드셋의 급증으로 디바이스의 기능을 제조시설이나 현장에서 프로그래밍할 수 있는 NFC 종단점 센서 솔루션을 위해 새로운 시장이 생겨나고 있다. 이러한 NFC 디바이스는 NFC 통신 모듈, 센서, 마이크로컨트롤러에 전원을 공급하기에 충분한 에너지를 소기하고, 센서를 통해 수집된 데이터의 데이터 로깅을 활성화한다. 다른 무선 센서 네트워크와 달리, NFC 시스템의 에너지 소비 내역(energy consumption breakdown)은 RF 콤포넌트에 좌우되지 않는다. 이러한 경우에는 센서를 통해 수집된 데이터를 저장하는데 필요한 에너지가 지배적인 매개변수이다. 강유전체 메모리 (FRAM) 기술 덕분에 전반전인 메모리 저장 요건은 EEPROM이나 플래시 같은 여타의 비휘발성 메모리 기술에 비해 낮다. 이는 수동형 RF 통신의 경우에서처럼 RF 기반 NFC 이건, 기타 적합한 에너지 소기 솔루션이건, 에너지 소기 솔루션에 대한 요건을 감소시켜줄 뿐만 아니라 무선 센서 네트워크의 배터리 수명을 최대화시켜 준다. 이 외에 다양한 애플리케이션에서 NFC 솔루션은 의료 공간에서와 같이 센서를 통해 수집된 데이터를 안전하게 보호해 줄 수 있는 수단이 필요할 것이다. 쓰기 시간이 빠르고, 쓰기 전류가 낮은 FRAM 기반 솔루션은 바람직하지 못한 공격을 막는데 도움이 된다.

RF430FRL152H 새로운 강유전체 메모리 (FRAM) NFC 임베디드 태그 기반 센서
RF430FRL152H 동적 NFC 센서 솔루션
RF430FRL152H 디바이스는 NFC 센서 애플리케이션에 적합하다. 텍사스 인스트루먼트에 의해 차별화된 이 오퍼링은 ISO15693 RF 프로토콜, 하나의 디바이스에 모두 통합되어 있는
16-bit 마이크로컨트롤러와 2KB 범용 FRAM 메모리를 지원하는 NFC 프론트엔드를 제공한다. 임베디드 MSP430™ 마이크로컨트롤러 코어는 디바이스를 프로그래밍할 수 있게 해주며, 호스트 컨트롤러가 없어도 독립적인 기능을 허용한다. 프로그래밍이 가능한 기능이 디바이스에 임베디드되어 있는 경우 또 다른 이점은 여러 개의 센서를 처리할 수 있는 능력과 센서 데이터의 산술 연산을 커스터마이즈할 수 있는 능력, 신속한 센서 데이터 수집 커스터마이징, 필드 업그레이드가 가능한 솔루션을 제공할 수 있는 능력 등이다.
또한 RF430FRL152H 디바이스는 I2C/SPI 인터페이스를 통해 디지털 센서들의 통합을 지원하거나 14-bit 시그마-델타 아날로그-디지털 컨버터를 통해 아날로그 센서의 통합을 지원한다. 온보드 전원 관리는 소기된 RF 에너지를 통해 또는 별도의 싱글 셀 배터리에서 전원을 공급받는 기능을 허용한다. 연속 RF 필드를 제공하는 핸드셋에서 소기된 에너지 역시 외부 센서에 전원을 공급하는데 이용할 수 있다. 또한 온보드 전원 관리는 RF 명령어를 통해 배터리를 연결하거나 분리시킬 수 있다.

NFC 무선 센서 네트워크의 전력 효율성 분석
가장 전형적인 무선 센서 네트워크 (WSN) 분석에서는 RF 통신 채널의 에너지 소비를 중점적으로 다루는 경향이 있다. 왜냐하면 이것이 전반적인 소비 전력 내역(power consumption breakdown)을 주도하는 경향이 있기 때문이다. 이러한 능동 무선 센서들은 센서를 통해 수집된 데이터를 데이터가 중앙 데이터베이스에 저장되는 게이트웨이로 정기적으로 전송해야 한다.
전송은 게이트웨이로 직접 이루어지거나 인접 노드들을 경유하는 호핑(hopping) 메커니즘을 통해 이루어 진다. 그러므로 각각의 노드가 데이터를 전송하고, 인접해 있는 노드들로부터 데이터를 재전송할 준비를 할 것으로 예상된다. 인접해 있는 노드들로부터 데이터를 재전송해야 한다는 요건과 이러한 노드들이나 게이트웨이 자체의 명령에 응답해야 할 필요성으로 인해 능동적 듣기 주기가 가능해야 한다는 요건이 발생한다. 이는 데이터 전송 이외에 능동 WSNs에서의 전반적인 RF 전력 요건이 된다.
NFC 종단점 센서의 경우에는 RF 통신이 종단점 데이터의 수동 전송을 통해 일어나므로 소비 전력 분석에서 이러한 콤포넌트가 무시된다. 현재 소비 전력 내역을 주도하는 것은 시스템의 다른 모든 콤포넌트들이다. 여기에는 데이터 로깅을 위한 전력 요건, 센서 소비 전력, LCD 디스플레이 같이 시스템에 포함되어 있는 기타 주변장치들이 포함된다. 임베디드 마이크로컨트롤러 솔루션의 경우에는 능동 모드와 절전 모드 동안의 에너지 소비도 고려해야 한다. 시스템의 배터리 수명을 연장하려면 이러한 각 콤포넌트들을 이해하고, 특정한 사용 조건에 맞게 최적화해야 한다.
능동 무선 센서 노드들은 비휘발성 메모리에 저장하는 것과는 대조적으로
센서를 통해 수집된 데이터를 게이트웨이로 전송하기 전에 임시 단계로 SRAM에서 ‘캐시’하려는 경향이 있다. SRAM에 저장을 하면 플래시나 EEPROM에 저장을 하는 것보다 에너지 효율적이므로 시스템의 전반적인 전력 요건이 완화된다. 데이터가 정기적으로 게이트웨이로 전송이 되기 때문에 임시 저장되는 데이터의 양이 비교적 적다. NFC 무선 센서 노드의 경우에는 비휘발성 메모리에 데이터를 저장해야 할 필요성이 발생하는 일정 기간 동안 디바이스에
센서 데이터가 보존될 것으로 예상된다. 비휘발성 메모리에 저장을 하면 배터리가 더 이상 작동을 하지 않을 때 데이터를 회수할 수 있다는 추가적인 이점이 제공된다. 비휘발성 FRAM 기술은 에너지 효율성이 높은 저장 능력과 높은 정전용량을 활용하므로 무선 센서 네트워크 설계를 재고하게 만든다. 이러한 메모리 기술은 게이트웨이로 전송을 하기 전에 다량의 센서 데이터를 국소적으로 저장할 수 있게 해준다. 이러한 다량의 데이터를 통합하면 시스템의 전반적인 에너지 효율성이 추가로 최적화된다.

본 논문에서는 저저력 NFC 센서 솔루션을 위해 RF430FRL152H 디바이스를 이용하는 것을 살펴보고, 이러한 애플리케이션에서 임베디드 비휘발성 FRAM 기술의 이점과 영향을 고찰한다. 시스템의 주요 컴포넌트들을 고려한 서브시스템 에너지 소비 모델은 다양한 사용 조건에서 전력 효율성을 측정하는데 이용되며, 다양한 메모리를 비교할 수 있다. 모델은 배터리 수명을 추정하는 데로 확장되며, 상이한 NVM 메모리 기술들을 비교한다. FRAM 메모리를 이용하면 정전용량이 적은 배터리를 솔루션에 이용할 수 있다. 절감은 단지 정전용량이 적은 배터리를 지원하는 능력만이 아니라 과도 보상을 하지 않아도 되므로 배터리를 자주 교체하지 않아도 되는 데서 실현된다 (교체 비용은 시스템 총비용에서 큰 부분을 차지한다).

임베디드 FRAM 메모리 기술의 이점
FRAM은 DRAM과 유사한 거동을 하는 비휘발성 메모리 기술이다. 각각의 개별 bit에 접근이 가능하며, FRAM은 EEPROM이나 플래시와 달리 특별한 순서대로 데이터를 쓰지 않아도 되고, 충전 펌프로 프로그래밍 전압을 높일 필요도 없다. FRAM은 10-14V 플래시나 EEPROM에 비해 1.5 V에서 프로그래밍된다. 플래시는 터널링 메커니즘을 통해 프로그래밍되지만, FRAM 프로그래밍은 쌍극성 모듈에서 극성을 유도하기 위해 강유전체 효과에 의존한다. 강유전체 효과는 FRAM 셀의 ceramic Lead-Zirkonate-Titanate 크리스탈 (PZT)에서 지르코늄 (Zr)과 산소 (O) 원자들에 의해 형성된 전기 쌍극자로 인해 발생한다. 장 세기 증가되고 PZT 크리스탈 내부에서 Zi 원자가 이동을 하기 때문에 전기장이 극성 히스테리시스 효과를 일으킨다. 히스테리시스는 이러한 Zi 원자가 O 원자와 상호작용을 한 결과로 발생한다. Zi 원자는 전기장의 극성에 의해 어느 한 쪽 방향에서 이동을 한다. 자기 히스테리시스 효과와 달리, PZT 분자의 극성 히스테리시스는 외부 자기장에 영향을 받지 않는다. 전력이 제거됐을 때, 자기장이 적용되고 비휘발성 메모리가 제공되지 않지 않는 한, Zi 원자는 제자리에 남아 있을 것이다. 이는 각각의 메모리가 동작을 한다면, 마모가 훨씬 덜 되므로 플래시보다 10억배 이상 오래 유지됨을 의미한다. 마지막으로 FRAM은 터널링 메커니즘을 통해 쓰여지는 것이 아니므로 플래시/EEPROM보다 감마선 같은 방사선에 대한 저항력이 최대 1000x 이상 높다.

또한 FRAM에는 사전 삭제 주기가 필요하지 않으며, 분자가 1-2 나노초에 극성을 띠게 된다. 따라서 쓰기 동작이 앞서 언급한 비휘발성 메모리들보다 약 1000x 더 빠르다. FRAM의 속도는 동적 접근성과 비휘발성 이외에 다수의 마이크로컨트롤러에 있는 임베디드 정적 RAM과 유사하기 때문에, 일반적으로 유니버설 메모리라고도 불린다. 이는 일정한 수명 기간에 데이터 메모리나 프로그램 메모리로 기능을 할 수 있음을 의미한다. 이는 디자이너들이 마이크로컨트롤러의 한계를 걱정하지 않고 주로 데이터 처리에 의존하거나 특별한 요건에 전혀 좌우되지 않는 임베디드 소프트웨어를 자유롭게 만들 수 있게 해준다. 다른 임베디드 메모리에는 이러한 특성이 없다.