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利用高效能记忆体达到物联网的低成本要求

2017-12-28 15:05:14 来源:eettaiwan

【大比特导读】藉由高速QSPI或QPI串列式快闪记忆体,有助于设计人员实现XiP操作以省去使用DRAM元件,从而节省空间并降低元件的数量和成本;为了进一步节省空间,还可以使用串列式堆叠封装记忆体——SpiStack…

物联网(IoT)在工业应用的愿景上,需要安装数十亿以上的设备连接到全球网路。正因如此,每个节点的平均成本必须要够小,否则单就经济架构来说,物联网是难以实现的。举个例子来说,大多数的电子供应商预设单一节点的物料清单(BOM)成本会限制在5美元左右。

于是,这些设备的设计者都将会承受极大的成本压力。在家庭或办公室,有些物联网节点会利用已经被广泛应用在消费性电子产品的Wi-Fi或蓝牙(Bluetooth)无线连线,好处在于这些技术可以利用便宜的现成元件来实现。

然而,包括大部份在户外的工作方案,某些应用是无法使用Wi-Fi或蓝牙无线功能连接上网,而是使用其他比Wi-Fi或蓝牙覆盖範围还要更广的射频(RF)技术来达成。

目前业界中,有多种技术可用在新兴的低功耗无线网路(LPWAN)。其中,LoRaWAN、SIGFOX和NB-IoT是最被看好能够大规模採用的技术。这些技术目前要不就是没有现成且易于使用的晶片组,不然就是选择性远少于Wi-Fi或蓝牙主控晶片(SoC)。

于是负责IoT节点连线至LPWAN的系统设计师就会面临严峻的成本考验。如果无线射频元件所需的费用比较高,那么整体物料清单(BOM)中所留给其余元件的预算将变得更紧缩。而在这些剩余的元件中,记忆体晶片是价格最高的。因此如何找寻合适并且能有最大成本效益的记忆体晶片,变成一个重要的课题。

本文除了针对LPWAN射频IoT末端节点的设计人员,提供了记忆体架构设计的选项,并且根据系统效能需求、记忆体容量与系统大小,介绍各种外挂式快闪记忆体解决方案的优点。

传统应用需求

内部和外部组态的记忆体容量必须根据系统的功能需求和所支援的应用程式而有所区别。LPWAN的应用範畴非常广泛,其可能的装置类型範例包括:

内建环境感测器的智慧型路灯

可携式讯号设备,例如可携式临时交通讯号灯或建筑工事警示设备

农用机械,甚或是饲养在农场裡的动物

在这些範例中,系统晶片或微控制器将执行应用程式码并执行系统管理功能。其相应所需的记忆体用途有:储存程式码、储存组态资料与储存使用者资料。

图1:一个LPWAN SoC搭配Winbond 1.8V串列式记忆体元件

图1:一个LPWAN SoC搭配Winbond 1.8V串列式记忆体元件

典型将重点放在高性能且不受限于物料清单(BOM)预算的系统所需的相关记忆体有:

搭配SoC的高速DRAM记忆体

嵌入于SoC系统单晶片中的快闪记忆体

外部的非挥发性记忆体IC。根据组态资料和使用者资料的储存容量需求,选用NOR Flash或NAND Flash。

考虑到成本最佳化,物联网(IoT)系统设计者在寻求不同的架构选项中,对于最新一代的外挂式记忆体元件展现了高度的兴趣。图1说明了这种架构:一个LPWAN SoC搭配Winbond 1.8V串列式记忆体元件。

更高速度的串列式快闪记忆体

受益于串列式快闪记忆体的泛用性,关注成本的IoT节点设计人员可利用其极高的资料传输率来实现不同于传统模型的架构。高速串列式快闪记忆体能使IoT节点拥有高速存取的能力,在几乎所有情况下,可省去DRAM记忆体并使用低成本、仅内建小容量快闪记忆体的主控晶片(SoC)。这种以快闪记忆体为基础的架构在减少元件数量、大小和物料清单(BOM)成本的同时,仍可保持系统应用程序所需的效能。

串列式快闪记忆体足以提供高资料传输速率来取代DRAM,从表面上看来相当令人吃惊。毕竟串列式快闪记忆体主要的优点是能透过较低的接脚数来提供可靠的非挥发性储存能力——但低接脚数在理论上也意味着低频宽。相对的,并列式快闪记忆体拥有大量通道来进行平行储存,提供了超高频宽和数据传输速率。但要达成到这一点,并列式快闪记忆体需要很多接脚,因此使用并列式快闪记忆体的系统会造成较大且复杂的电路板。

经过了一段时间的开发演进,串列式快闪记忆体製造商已能同时保持小型封装与低接脚数并提高资料传输率。目前採用QSPI或QPI技术的串列式快闪记忆体在133MHz的工作频率下最大可达到每秒66MB的资料传输率。这足以实现「现地执行」(XiP)的功能,即处理器的应用塬始程式码可从外挂的快闪记忆体直接执行,不需将程式码复製到DRAM,如此可完全省去DRAM的使用。有QSPI或QPI功能的快速串列式快闪记忆体对于经常执行的功能也能利用pseudo-cache来提升效能。

根据使用情境,串列式快闪记忆体可切分成不同的区块。系统韧体可存放在程式码区,使用者资料和组态设定可存放在资料区。

这是因为资料区的资讯会被持续的抹除并写入新的资料,此区段必须要能支援多次写入/擦除的循环。在两种类型的串列式快闪记忆体——NOR快闪记忆体和NAND快闪记忆体中,NOR快闪记忆体在本质上使用的是较为强壮可靠的结构,无须错误修正码(ECC)即能可靠地运作。Winbond所有串列式NOR快闪记忆体皆可达到至少10万次写入/擦除的循环。

图2:串列式NOR快闪记忆体和NAND快闪记忆体可被结合在同一封装内

图2:串列式NOR快闪记忆体和NAND快闪记忆体可被结合在同一封装内

对于记忆体容量小于512Mbps的应用,通常最符合成本效益的选项是串列式NOR快闪记忆体。对于记忆体容量等于或大于512 Mbps的应用,通常会选用较便宜的串列式 NAND 快闪记忆体。所有的 NAND 快闪记忆皆需要一个控制器来管理其运作,包括侦测和修正错误、坏块管理和重新定址。

Winbond提供512 Mb、1Gb和2 Gb容量的串列式 NAND 快闪记忆体,因内建内部的错误修正和坏块管理功能,可降低外部控制器的工作数。Winbon串列式NAND快闪记忆体每 528 Byte的内存提供了1 位元的错误修正码。Winbond串列式NAND快闪记忆体额定最少可达到10万次编程/擦除循环。

Winbond串列式NAND快闪记忆体内建坏块管理,会自动根据内建的查找表将错误的区块重新映射到好的区块。此查找表(LUT)最多可支援到20个链结,并且重新映射的功能能支援跨页和完整的记忆体位址的读取操作。相比之下,其他供应商的产品受限于有限的页面存取,只能提供缓慢的传输效能。

第叁种提供给IoT 闸道器设计者的选择是一种串列式堆叠封装记忆体(SpiStack)。即单一封装内含两个或两个以上的串列式NOR快闪记忆体晶粒、两个或两个以上的串列式NAND快闪记忆体晶粒、亦或是一颗串列式NOR快闪记忆体晶粒与一颗串列式NAND快闪记忆体晶粒。其中一种典型的组合是将用来存放程式码的NOR 快闪记忆体晶粒与用来存放资料的串列式NAND快闪记忆体晶粒合封于WSON8——8mm x 6mm的封装内。此解决方案的优点是灵活的记忆体容量组合,并同时维持低接脚数。其中所需操作的记忆体晶粒将藉由软体指令(‘C2h’)来做选择,并不需要多一根接脚来做为切换讯号。

串列式NOR快闪记忆体、串列式NAND快闪记忆体、串列式堆叠封装记忆体(SpiStack)所支援的记忆体容量可完整支援LPWAN或是LoRaWAN连接的IoT节点需求。举例来说, 需求较低的端点通常用3V或1.8V 16Mb以下的串列式NOR快闪记忆体;笔记型电脑连接的IoT节点通常使用1.8V,需较高密度的串列式NOR快闪记忆体,容量範围在32Mb到128Mb;而有些应用可能需要使用1Gb或更大的数据容量,就需要串列式NAND快闪记忆体或串列式堆叠封装记忆体(SpiStack)。

用于LPWAN的IoT节点通常为电池供电的移动装置,因此功耗是系统设计上首要关注的项目。各家标準的串列式快闪记忆体通常可支援3 V与1.8V,其中 1.8 版本在工作模式与待机模式中皆提供较低的功耗。

图3:Winbond串列式NOR快闪记忆体读取电流比较表 (製表:Winbond。含1.2V超低功耗新产品)

图3:Winbond串列式NOR快闪记忆体读取电流比较表 (製表:Winbond。含1.2V超低功耗新产品)

一般1.5V的设备具有较宽广的工作电压设计,从1.14V至1.6V,好处是使用电池供电的环境下可以更持久的操作。Winbond在2017年6月新推出了一款超低功耗(请参阅图3)的串列式NOR快闪记忆体,此新型1.2V超低功耗产品的工作电压涵盖範围从1.14V至1.3V,可延长从电池满电到电压慢慢下降期间的稳定使用。此新型1.2V串列式NOR快闪记忆体容量从1 Mb到128Mb,在104 MHz的工作模式下工作电流仅4.9mA,而在低电源模式下电流仅0.5μA。

以高速串列式快闪记忆体实现成本与空间的节约

总结来说,设计者可藉由高速QSPI或QPI串列式快闪记忆体实现XiP操作来省去使用DRAM元件,从而节省空间并降低元件的数量和成本。若要更进一步的节省空间,可使用串列式堆叠封装记忆体(SpiStack)。此外在电池供电的应用上可使用1.2V超低功耗串列式NOR快闪记忆体。

此最新一代的串列式快闪记忆体产品可帮助IoT 节点设计者在降低成本的条件下同时满足其性能要求,帮助设计者实现总系统成本低于5美元的目标。

本文由大比特资讯收集整理(www.big-bit.com)

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