ディープスリープSRAMにより組み込みシステムの消費電力を低減する方法

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私の好きな音楽グループの1つは、フランスのDJデュオ、Daft Punkです。Daft Punkの癖の1つは、ロボットの振りをし、ショーの全てを見事なロボットのコスチュームで行うことです。このグループは2013年に、ロボットのテーマに沿って演じた「Random Access Memories」（RAM）というアルバムをリリースしました。しかし、正確にどの種類のRAMなのかは明らかにしませんでした。ご存知のように、組み込みシステムの世界では、使用するRAMの種類が非常に重要です。具体的には、SRAMはフラッシュメモリや、特にDRAMと比較していくつかの利点があり、エネルギー消費については特にそれが顕著です。現在では、組み込みアプリケーションに使用可能なSRAMにもいくつかのバリエーションがあります。ディープスリープ対応のSRAMは、正しく使用すれば高速性とエネルギーの節約の両方を実現してくれます。

組み込みシステムのSRAM

好きなバンドやアーティストを選ぶのは難しいことです。多くの異なるジャンルに、数十万ものバンドやアーティストが存在しています。それに比べれば、組み込みシステム用のメモリ選択ははるかに単純です。まず、SRAM、フラッシュメモリ、DRAMを簡単に比較し、システムのどこにSRAMを使用するのが最適かを調べてみましょう。

組み込みシステム用に設計されたメモリは各種のものが存在し、CBRAMやSpin Waveデバイスなど新たに出現したメモリも存在します。従来型のメモリとしてフラッシュ、SRAM、DRAMが存在し、それぞれがシステムの特定の場所に適しています。興味深いことに、これら各種のメモリの物理的な場所とアクセス方法は、消費電力に影響を及ぼします。それぞれのメモリアーキテクチャの動作方法も影響します。DRAMはデータ保持のためにリフレッシュが必要で、他の2種類よりも多くのエネルギーを使用します。フラッシュは多くの場合コードの格納に使用され、SRAMはキャッシュとして使用され、DRAMは汎用メモリに使用されます。

システムで実行されるマイクロコントローラーはデータを非常に迅速に処理し、メモリはその速度に追い付ける必要があります。このため、通常はSRAMがキャッシュとして使用されます。フラッシュとDRAMはどちらも書き込み時間が長く、MCU（マイクロコントローラーユニット）に制限を課すことがあります。また、SRAMはサイズが小さいため、通常はキャッシュに制限されます。より大きな一時的記憶領域を必要とする動作にはDRAMが使用されます。

SRAMとDRAMはどちらも、組み込みシステムで別の場所に使用されます。

SRAMの種類

Daft Punkは、すべてのジャンルのうちで私の最も好きなバンドですが、各ジャンルで最も好きなアーティストもいます。同様に、SRAMを使用するというだけではなく、正確にどの種類のものを使用するかも知る必要があります。一般に、ディープスリープオプションがあるSRAMを使用すると、必要な速度を維持しながら、多少のエネルギーを節約できます。

携帯型の電子デバイスが爆発的に増加する前は、SRAMは主に高速性が重視されていました。しかし、多くの電力を消費するプロセッサーを搭載したスーパーコンピューターを人々が持ち歩くようになってから、低消費電力のSRAMも特定の目的が与えられるようになりました。SRAMの高速なバリエーションはアクセスタイムが10ns前後で、これに対して低消費電力のSRAMは45nsです。もちろん、低消費電力のSRAMは消費エネルギーが少なく、動作時の電流は高速SRAMの110mAに対して低消費電力SRAMでは36mA、スタンバイ時電流は高速版の30mAに対して、低消費電力版では実に16µAという低さです。どちらの種類も明らかに特定用途に向けて設計されており、設計において意図された使用目的については優れた機能を発揮します。しかし、どちらの種類も我々が本当に望んでいる、高速性と電力節約を同時に実現してはくれません。

ディープスリープSRAMはハイブリッドタイプで、両方の種類の長所をほぼ実現してくれます。アクセスタイムは10nsで、これは可能な範囲での最高の速度です。そして、「ディープスリープ」状態でのスタンバイ時電流は、低消費電力のものにほぼ匹敵する22µAです。ディープスリープでないときでも、スタンバイ時電流は30mAで、通常動作時には依然として約110mAを消費します。ディープスリープSRAMを適切に使用すれば、必要なパフォーマンスを実現しながら、低消費電力のSRAMに近いエネルギー節約を実現できます。

ディープスリープSRAMはエネルギーの節約に役立ちます。

ディープスリープSRAMを使用すべき状況

適切なときに、正しい種類の音楽を演奏するのは重要なことです。誕生日のパーティーで、突然ベートーベンの月光ソナタを演奏するのは似つかわしくありません。ディープスリープSRAMも同様で、役に立つ場合と、使用しても無意味な場合とがあります。

ディープスリープSRAMの使用が特に不適切な状況が1つあります。それは、SRAMのアクティブな使用時間が非常に密なため、ディープスリープに移行する余裕がない場合です。SRAMがディープスリープに移行するため300µsを要し、システムは250µsごとにSRAMへアクセスすると仮定しましょう。SRAMはいっさいディープスリープに移行できず、通常のSRAMとして動作することになります。この場合、通常のSRAMと同じ動作しか行わないものに余分のコストを費やしただけの結果になります。システムにディープスリープSRAMを実装する前に、そのディープスリープ機能を十分に活用できることを確認しましょう。

一部の人たちは、ディープスリープSRAMをシステムに統合するのが難しいかもしれないと懸念を抱いているかもしれません。接続やバッテリバックアップがある場合、再設計が必要でしょうか? さいわい、答はノーです。その必要はありません。ディープスリープ対応SRAMには、通常の高速SRAMと比較して、ピンが1つ多いだけです。ピンを1つ追加する余裕もない場合は、どうすればいいか私にも分かりません。

私の音楽の選択のことにはあまり興味がないかもしれませんが、ディープスリープSRAMの価値は認めてくれることを期待します。SRAMは一般にMCUのキャッシュとして使用され、フラッシュやDRAMよりも高速でアクセス可能です。SRAMはDRAMよりも消費エネルギーが少ないのは良いことですが、ディープスリープ機能がある高速SRAMを使用すれば、高速性と電力節約の両方を実現できます。システムが実際にディープスリープ機能を活用できることだけを確認してください。

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