パラレルSRAM同等の性能を維持しつつ基板小型化とバッテリーレスを実現する方法とは

パラレルSRAMの性能を維持しながら、基板の小型化とバッテリーレス化を実現するためのメモリ選定について解説します。QSPI対応FeRAM（FRAM、強誘電体RAM）を含む代替技術の特徴や導入時の評価ポイントを紹介します。

パラレルSRAMの課題と設計上の制約

パラレルSRAMは高速アクセスが可能で、リアルタイム性を求められる機器に多く採用されてきました。しかしその利点の裏で、実装面積や電力消費、さらにはデータ保持のために外部バッテリが必要となる点など、いくつかの制約が存在します。これらの制限は、現代の小型化・高信頼性を求める設計要件にとって大きな障壁となり得ます。

パラレルSRAMの基本構造と動作原理

パラレルSRAMは、データバスとアドレスバスを並列に接続し、任意のアドレスに即座にアクセスできる揮発性メモリです。基本的に1ビットあたり6個程度のトランジスタで構成され、動作クロックに依存せず安定した読み書き性能を提供します。そのため、リアルタイム処理が必要な産業機器や医療機器などで多用されています。ただしこの構造上、集積度が低く、チップあたりの容量が制限されやすい点や、電源喪失時にデータを保持できないという揮発性の制限が伴います。

消費電力・搭載スペースの問題点

パラレルSRAMのもう一つの課題は、広いデータバスとアドレスバス、複数の制御信号を必要とすることによる実装面積の肥大化です。これにより、基板上での占有スペースが大きくなり、システム全体の小型化を阻害します。また、常時動作している状態が多く、スタンバイ電力や動作電力の両面で消費が大きくなりやすい特性があります。特に電源に制約のあるバッテリ駆動機器ではこの点が設計上のボトルネックとなり、より省電力かつコンパクトな代替技術の必要性が高まっています。

バッテリーバックアップの信頼性リスク

パラレルSRAMのデータ保持手段として一般的なのが、外部バッテリによるバックアップですが、この方式にはいくつかの問題があります。バッテリは経年劣化や高温環境によって容量が減少しやすく、長期間の使用における信頼性に疑問が残ります。また、保守点検や交換が必要になることで、製品のメンテナンスコストが増加し、フィールド設置型の機器では特に不利です。さらに、バッテリを使用することで輸送制限や製品認証面でのハードルが上がる場合もあり、近年ではバッテリーレスでのデータ保持手段がより強く求められています。

小型化・高信頼化に向けたメモリ選定の視点

近年の組込みシステムでは、実装面積の削減と信頼性の向上が重要な要件として挙げられます。これに伴い、選定されるメモリにも多機能性や電源断時の安全性が求められるようになっています。特に、従来のバッテリバックアップ構成では対応できない設計要求を満たすために、代替技術の検討が加速しています。

回路設計と実装面積の最適化要素

基板の小型化において、メモリの実装面積は回路設計上の重要なファクターです。特にパラレル接続のSRAMはバス幅が広く、ピン数や配線量の多さからレイアウトに大きな制約を与えます。対して、シリアルインタフェースを採用したメモリであれば、配線を最小限に抑えつつ同等の性能を確保することが可能となります。これにより部品点数や層数の削減が実現し、結果として基板全体の小型化、軽量化、そして製造コストの抑制につながるという効果が期待できます。

電源断対策とデータ保持の考え方

小型化や低消費電力設計と並んで、電源断時のデータ保持は高信頼設計における重要な要件です。これまでこの課題に対してはSRAMとバッテリによるバックアップ構成が主流でしたが、前述の通り、保守性や信頼性、そして安全面での課題が顕在化しています。近年では、不揮発性メモリを用いることで電源断後もデータを保持しつつ、追加のハードウェアや電源供給が不要なソリューションが注目されています。こうした設計により、突然の電源遮断でも安全にデータを保存でき、システムの堅牢性が大きく向上します。

保守性・安全性を高める設計の方向性

製品ライフサイクルの長期化や、メンテナンス頻度の最小化が求められる状況において、保守性と安全性を考慮した設計が不可欠です。バッテリを用いた設計では、定期的な交換作業が必要となり、保守負荷が増加します。加えて、バッテリに起因する発火や液漏れなどの安全リスクも無視できません。これに対し、不揮発性メモリを活用する設計では、これらのリスクを回避しつつ長期の安定運用が可能となります。こうした背景から、製品の信頼性向上とメンテナンス性の両立を目的とした設計思想が主流となりつつあります。

要件を満たす代替メモリ技術の検討

パラレルSRAMの代替を検討する上では、単に高速な読み書きが可能なだけでなく、省スペース性、不揮発性、低消費電力性といった多面的な性能要件を同時に満たす必要があります。これに対応する技術として、いくつかの不揮発性メモリが候補に挙がります。

不揮発性メモリの代表例とその比較：FeRAM、MRAM、nvSRAM

不揮発性メモリには複数の技術が存在し、それぞれが異なる特徴を持ちます。例えばFeRAM（FRAM、強誘電体RAM）は高速書き込みと高い書き換え耐性を備え、省電力性にも優れています。一方、MRAMは磁気特性を利用し、動作速度や耐久性に優れる反面、製造難易度が高く高コストです。また、nvSRAMは内部にSRAMと不揮発メモリを組み合わせており、SRAM同様の速度を保ちながら電源断時のデータ保持を実現できますが、構造が複雑で消費電力がやや大きくなる傾向があります。これらを設計要件に照らして比較・検討することが重要です。

Quad SPI FeRAMによる高速・省配線アクセスの可能性

近年注目されているのが、Quad SPI（QSPI）インタフェースを備えた不揮発性メモリの活用です。QSPIは従来のSPIに比べて一度に4ビットのデータを送受信可能であり、高速な読み書きを実現しつつピン数を抑えることができます。特にQSPIに対応したFeRAMでは、パラレルSRAMに匹敵するデータ転送速度と、不揮発性による電源断時のデータ保持を同時に実現可能です。この構成は、配線の簡素化、部品点数の削減、さらには基板面積の縮小にも寄与するため、小型化が求められる組込み機器やIoTデバイスにおいて非常に有効な選択肢となり得ます。

小型化・省電力化設計に適したFeRAM採用事例の紹介

実際の組込みシステム設計においても、FeRAMの採用が進んでいます。たとえば、バッテリ駆動で動作する産業用センサーノードでは、消費電力を極限まで抑える必要があります。従来は低消費電力SRAMに外部バッテリを組み合わせていましたが、QSPI対応のFeRAMに置き換えることで、バッテリを不要とし、信頼性と保守性を高めることに成功しています。また、医療機器のように安全性が重視される分野でも、突発的な電源遮断時にデータが損失しない点が評価され、採用が拡大しています。こうした事例からも、FeRAMは小型化と信頼性を両立する有力なソリューションであることがわかります。

最適なメモリ選定に向けて

メモリの選定は単なる部品の置き換えではなく、システム全体の性能や信頼性、ライフサイクルに直結する重要な判断要素です。特に省スペース化やバッテリーレス化といった近年の設計要件に対応するには、性能・実装性・コストなど多角的な観点から最適な選択肢を見極める必要があります。

技術要件を満たすための選定プロセスの組み立て

設計におけるメモリ選定は、まず対象システムに必要な読み書き速度、容量、消費電力、信頼性といった技術要件を明確にすることから始まります。次に、その要件を満たす候補メモリの機能的・物理的特性を比較し、どのソリューションが最適かを検討します。パラレルSRAMと同等の性能を確保しながらも、小型化やバッテリーレス運用を目指す場合、不揮発性かつ高速なアクセスが可能なメモリの導入が有力になります。Quad SPIインタフェースのように、システム全体の構成に影響する要素も評価対象に含めることが、信頼性の高い設計につながります。

FeRAMを含む選択肢の評価ポイントと注意点

FeRAMを含む不揮発性メモリの選定においては、読み書き速度、書き換え耐性、電力消費、搭載面積といった基本的な性能指標に加え、使用環境や信号インタフェースの相性も考慮すべきポイントです。特にQSPIに対応したFeRAMは、シリアルインタフェースながら高速アクセスが可能で、パラレルSRAMに匹敵するスピードを実現できる点で注目されています。これにより、省配線・低ピン数による基板設計の簡素化と、不揮発性による電源断対策を両立でき、設計上の制約を大幅に緩和します。一方で、一般的なSRAMと比較すると容量や価格面で制限がある場合もあり、採用にあたっては既存の設計資産との互換性やシステム全体への波及効果も含めた総合的な評価が必要です。単にスペックだけで判断するのではなく、トータルコストや設計工数、保守性といった現場視点での比較検討が不可欠です。

開発現場での導入に向けた現実的アプローチ

新しいメモリ技術を導入する際は、性能面だけでなく、既存の設計環境への適合性や社内の評価体制も視野に入れる必要があります。特にFeRAMのような比較的新しい技術では、評価用サンプルの入手、ドキュメントの整備状況、開発ツールとの互換性など、導入時の実務的ハードルをクリアするための段取りが重要です。また、部品供給の安定性やメーカーサポート体制も、中長期的な量産を見据えた選定には欠かせません。現場では、まず少量試作での評価を通じて実用性を確認し、段階的に採用を進めるというアプローチが推奨されます。このように、理論上の最適解だけでなく、実装や運用における実現可能性を重視した判断が成功の鍵となります。

RAMXEEDのQuad SPI対応 FeRAMファミリ
https://www.ramxeed.com/jp/product_detail/s-1/