Повышение производительности и безопасности носимых устройств Интернета вещей

Многие приложения IoT, в том числе подключенные автомобили, автоматизация производства, умный город, подключенная система здравоохранения и носимые устройства, требуют энергонезависимой памяти для хранения данных и кода. Традиционно для этой цели встроенные приложения использовали внешнюю флэш-память.

Однако по мере того, как современная полупроводниковая технология сталкивается с проблемами масштабирования и стоимости по мере перехода к меньшим геометрическим размерам, становится все труднее встраивать флэш-память в главную SoC. Следовательно, будущие разработки MCU или SoC нацелены на систему в пакете (SiP) или использование внешней Flash. Эта тенденция не отвечает потребностям приложений Интернета вещей, таких как носимые устройства, из-за их небольшого форм-фактора, строгих ограничений по стоимости и требований, связанных с низким энергопотреблением.

Для решения этих проблем производители флэш-памяти разрабатывают архитектуры, оптимизирующие размер и энергопотребление. В то же время они вводят важные новые возможности, которые обеспечивают большую выносливость, надежность, безопасность и защищенность.

Размер памяти

Носимые устройства предыдущих поколений и нынешнего поколения нуждаются в флеш-решениях NOR с низкой плотностью для хранения кода, но им нужны более высокие плотности, которые будут расти по мере того, как приложения станут более сложными и им потребуется регистрировать больше данных. Новые архитектуры ячеек позволяют увеличить объем памяти. Например, технология MirrorBit может хранить два бита на ячейку и поддерживает продукты с плотностью до 4 Гб. Такое увеличение плотности позволяет уменьшить размер кристалла на 20–30% по сравнению с традиционными архитектурами NOR Flash с плавающим затвором. Этот меньший размер кристалла также увеличивает гибкость упаковки для внешней памяти. Меньший размер кристалла - подходящий вариант для решений SiP или внешней энергонезависимой памяти с масштабируемой упаковкой кристалла на уровне пластины (WLCSP).

Для поддержки скорости доступа к большему массиву памяти требуется высокоскоростной интерфейс. Например, Semper NOR Flash от Cypress имеет протокол Quad SPI, работающий со скоростью 102 МБ / с, и протокол xSPI, работающий со скоростью 400 МБ / с. Высокоскоростные интерфейсы необходимы для высокопроизводительных приложений Интернета вещей, а также для приложений, требующих возможности мгновенного включения и выполнения на месте (XiP) из NOR flash.

Рис. 1. Такие технологии, как MirrorBit, разрабатываются производителями памяти для повышения плотности памяти. (Источник:Cypress)

Помимо большего объема памяти, новые архитектуры также более гибкие. Код, данные и регистрация данных имеют разные требования к хранилищу. Благодаря гибкой секторной архитектуре, которая позволяет разработчикам настраивать размер сектора и обеспечивать непрерывную схему адресации, становится возможным сегментировать память таким образом, чтобы она наилучшим образом соответствовала коду или данным, которые там хранятся.

Выполнение на месте (XiP)

По мере того, как устройства IoT продолжают расширяться, охватывая все большее количество приложений и операционных сред, требования к безопасности также становятся более строгими. Память, в которой хранится код, должна позволять системе загружаться из памяти, регистрировать данные датчиков и выполнять функции XiP. Эти функции нелегко реализовать с традиционной архитектурой NOR flash.

Рассмотрим типичное приложение Интернета вещей с процессором приложений, внутренняя память которого подключена к внешней флеш-памяти NOR. Эти приложения часто хранят код и данные приложения во флеш-памяти ИЛИ-НЕ и загружают все из флеш-памяти ИЛИ-НЕ во внутреннюю RAM при включении питания. Этот вариант использования называется «Store and Download» (SnD), который показан на рисунке 2. Плотность внутренней ОЗУ процессоров приложений ограничивает улучшения производительности системы IoT, такие как более быстрые обновления по беспроводной сети, улучшенная производительность дисплея, увеличенная сеть пропускная способность, улучшенное качество звука, объединение датчиков через SPI / UART и арифметические операции. Такие улучшения требуют изменения спецификации из-за ограниченной плотности внутренней оперативной памяти.

Рис. 2. Пример использования «Сохранение и загрузка» (SnD). (Источник:Cypress)

На рисунке 3 показано, как процессор может копировать данные из NOR Flash и выполнять код с XiP непосредственно из NOR Flash при включении. При таком подходе процессор имеет больше внутренней оперативной памяти, доступной для улучшения приложений. Следовательно, использование XiP с поддержкой NOR Flash позволяет улучшать приложения IoT без какого-либо влияния на производительность.

Рис. 3. Вариант использования «Выполнить на месте» (XiP). (Источник:Cypress)

Как правило, флэш-память NOR используется для случайного быстрого чтения только из-за проблем с долговечностью и надежностью. Вся флеш-память подвержена физической деградации при большом количестве циклов программирования / стирания, что в конечном итоге может привести к отказу устройства. Некоторым приложениям Интернета вещей требуется высокая надежность и высокая степень удержания во флеш-устройствах; более низкий срок хранения или более низкий срок хранения данных может повлиять на функциональность системы.

Производители памяти работают над новыми архитектурами, повышающими надежность, чтобы приложения теперь могли выполнять регистрацию данных с помощью NOR flash. Например, архитектура EnduraFlex в Semper Flash от Cypress оптимизирует конструкцию системы, позволяя разделить флэш-устройство на несколько разделов. Каждый раздел можно независимо настроить для обеспечения высокой надежности или длительного хранения. Для частой записи данных раздел можно настроить на выполнение до 2,56 миллионов циклов программирования / стирания по сравнению со 100 000 циклов в типичном флеш-устройстве NOR. Аналогичным образом можно улучшить срок хранения данных до 25 лет.

Безопасность

Код и конфиденциальные пользовательские данные (например, носимые медицинские устройства) должны быть защищены как с точки зрения безопасности (т. Е. Надежной работы за счет предотвращения повреждения данных), так и безопасности (т. Е. Защиты данных от хакеров). Для этого память становится умнее и интегрирует процессоры, такие как встроенный процессор Arm Cortex-M0, для обработки сложных встроенных алгоритмов, связанных с безопасностью, на кристалле (см. Рисунок 4). Это повышает надежность, помогая повысить производительность, безопасность и защищенность устройства.

Рис. 4. Современные флеш-памяти NOR для носимых устройств обладают большей емкостью, а также обладают множеством функций безопасности. Здесь показана архитектура флэш-памяти Semper NOR от Cypress. (Источник:Cypress)

Благодаря встроенному процессору NOR Flash также может поддерживать различные функции и средства диагностики, которые обеспечивают сквозную целостность и защиту данных. NOR Flash поддерживает традиционные схемы расширенной защиты сектора (ASP), а также область одноразового программирования (OTP) размером 1 КБ, но этих функций недостаточно для определенных приложений Интернета вещей или носимых устройств. Advanced NOR Flash обеспечивает дополнительные решения для сквозной безопасности, включая защиту от облака до флэш-памяти, безопасные обновления микропрограмм по беспроводной сети (FOTA) и безопасную защиту от записи.

Еще одним важным фактором для носимых устройств является энергоэффективность. Носимые устройства обычно используют активную мощность флеш-устройств NOR в течение очень короткого времени. В остальное время флеш-устройство ИЛИ-НЕ остается в режиме ожидания или в режиме глубокого отключения питания. Кроме того, большинство носимых устройств работают от аккумулятора. Для этого требуется флеш-устройство ИЛИ-НЕ с низким током в режиме ожидания и глубокого отключения питания. Современные флэш-памяти NOR могут поддерживать низкий ток в режиме ожидания порядка 6,5 мкА и ток глубокого отключения порядка 1 мкА.

Несмотря на то, что носимые устройства, как правило, работают при комнатной температуре, некоторые приложения Интернета вещей должны иметь возможность надежно работать при экстремальных температурах. Для этих приложений доступны промышленные запоминающие устройства, которые могут работать при температуре окружающей среды от -55 ° C до + 125 ° C.

Заключение

Носимые устройства - важная часть будущего роста рынка Интернета вещей, с требованиями, варьирующимися от форм-фактора, мощности и стоимости до безопасности. Благодаря достижениям в технологии NOR Flash, такой как встроенный процессор, эти запоминающие устройства могут обеспечить большую плотность, меньшее энергопотребление, более высокую безопасность и большую производительность в