物聯網(IoT)在工業應用的願景上,需要安裝數十億以上的設備連接到全球網路。正因如此,每個節點的平均成本必須要夠小,否則單就經濟架構來說,物聯網是難以實現的。舉個例子來說,大多數的電子供應商預設單一節點的物料清單(BOM)成本會限制在5美元左右。

於是,這些設備的設計者都將會承受極大的成本壓力。在家庭或辦公室,有些物聯網節點會利用已經被廣泛應用在消費性電子產品的Wi-Fi或藍牙(Bluetooth)無線連線,好處在於這些技術可以利用便宜的現成元件來實現。

然而,包括大部份在戶外的工作方案,某些應用是無法使用Wi-Fi或藍牙無線功能連接上網,而是使用其他比Wi-Fi或藍牙覆蓋範圍還要更廣的射頻(RF)技術來達成。

目前業界中,有多種技術可用在新興的低功耗無線網路(LPWAN)。其中,LoRaWAN、SIGFOX和NB-IoT是最被看好能夠大規模採用的技術。這些技術目前要不就是沒有現成且易於使用的晶片組,不然就是選擇性遠少於Wi-Fi或藍牙主控晶片(SoC)。

於是負責IoT節點連線至LPWAN的系統設計師就會面臨嚴峻的成本考驗。如果無線射頻元件所需的費用比較高,那麼整體物料清單(BOM)中所留給其餘元件的預算將變得更緊縮。而在這些剩餘的元件中,記憶體晶片是價格最高的。因此如何找尋合適並且能有最大成本效益的記憶體晶片,變成一個重要的課題。

本文除了針對LPWAN射頻IoT末端節點的設計人員,提供了記憶體架構設計的選項,並且根據系統效能需求、記憶體容量與系統大小,介紹各種外掛式快閃記憶體解決方案的優點。

傳統應用需求

內部和外部組態的記憶體容量必須根據系統的功能需求和所支援的應用程式而有所區別。LPWAN的應用範疇非常廣泛,其可能的裝置類型範例包括:

  • 內建環境感測器的智慧型路燈
  • 可攜式訊號設備,例如可攜式臨時交通訊號燈或建築工事警示設備
  • 農用機械,甚或是飼養在農場裡的動物

在這些範例中,系統晶片或微控制器將執行應用程式碼並執行系統管理功能。其相應所需的記憶體用途有:儲存程式碼、儲存組態資料與儲存使用者資料。

20171228_Windbond_NT41P1 圖1:一個LPWAN SoC搭配Winbond 1.8V串列式記憶體元件

典型將重點放在高性能且不受限於物料清單(BOM)預算的系統所需的相關記憶體有:

  • 搭配SoC的高速DRAM記憶體
  • 嵌入於SoC系統單晶片中的快閃記憶體
  • 外部的非揮發性記憶體IC。根據組態資料和使用者資料的儲存容量需求,選用NOR Flash或NAND Flash。

考慮到成本最佳化,物聯網(IoT)系統設計者在尋求不同的架構選項中,對於最新一代的外掛式記憶體元件展現了高度的興趣。圖1說明了這種架構:一個LPWAN SoC搭配Winbond 1.8V串列式記憶體元件。

更高速度的串列式快閃記憶體

受益於串列式快閃記憶體的泛用性,關注成本的IoT節點設計人員可利用其極高的資料傳輸率來實現不同於傳統模型的架構。高速串列式快閃記憶體能使IoT節點擁有高速存取的能力,在幾乎所有情況下,可省去DRAM記憶體並使用低成本、僅內建小容量快閃記憶體的主控晶片(SoC)。這種以快閃記憶體為基礎的架構在減少元件數量、大小和物料清單(BOM)成本的同時,仍可保持系統應用程序所需的效能。

串列式快閃記憶體足以提供高資料傳輸速率來取代DRAM,從表面上看來相當令人吃驚。畢竟串列式快閃記憶體主要的優點是能透過較低的接腳數來提供可靠的非揮發性儲存能力——但低接腳數在理論上也意味著低頻寬。相對的,並列式快閃記憶體擁有大量通道來進行平行儲存,提供了超高頻寬和數據傳輸速率。但要達成到這一點,並列式快閃記憶體需要很多接腳,因此使用並列式快閃記憶體的系統會造成較大且複雜的電路板。

經過了一段時間的開發演進,串列式快閃記憶體製造商已能同時保持小型封裝與低接腳數並提高資料傳輸率。目前採用QSPI或QPI技術的串列式快閃記憶體在133MHz的工作頻率下最大可達到每秒66MB的資料傳輸率。這足以實現「現地執行」(XiP)的功能,即處理器的應用原始程式碼可從外掛的快閃記憶體直接執行,不需將程式碼複製到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閃記憶體對於經常執行的功能也能利用pseudo-cache來提升效能。

根據使用情境,串列式快閃記憶體可切分成不同的區塊。系統韌體可存放在程式碼區,使用者資料和組態設定可存放在資料區。

這是因為資料區的資訊會被持續的抹除並寫入新的資料,此區段必須要能支援多次寫入/擦除的循環。在兩種類型的串列式快閃記憶體——NOR快閃記憶體和NAND快閃記憶體中,NOR快閃記憶體在本質上使用的是較為強壯可靠的結構,無須錯誤修正碼(ECC)即能可靠地運作。Winbond所有串列式NOR快閃記憶體皆可達到至少10萬次寫入/擦除的循環。

20171228_Windbond_NT41P2 圖2:串列式NOR快閃記憶體和NAND快閃記憶體可被結合在同一封裝內

對於記憶體容量小於512Mbps的應用,通常最符合成本效益的選項是串列式NOR快閃記憶體。對於記憶體容量等於或大於512 Mbps的應用,通常會選用較便宜的串列式 NAND 快閃記憶體。所有的 NAND 快閃記憶皆需要一個控制器來管理其運作,包括偵測和修正錯誤、壞塊管理和重新定址。

Winbond提供512 Mb、1Gb和2 Gb容量的串列式 NAND 快閃記憶體,因內建內部的錯誤修正和壞塊管理功能,可降低外部控制器的工作數。Winbon串列式NAND快閃記憶體每 528 Byte的內存提供了1 位元的錯誤修正碼。Winbond串列式NAND快閃記憶體額定最少可達到10萬次編程/擦除循環。

Winbond串列式NAND快閃記憶體內建壞塊管理,會自動根據內建的查找表將錯誤的區塊重新映射到好的區塊。此查找表(LUT)最多可支援到20個鏈結,並且重新映射的功能能支援跨頁和完整的記憶體位址的讀取操作。相比之下,其他供應商的產品受限於有限的頁面存取,只能提供緩慢的傳輸效能。

第三種提供給IoT 閘道器設計者的選擇是一種串列式堆疊封裝記憶體(SpiStack)。即單一封裝內含兩個或兩個以上的串列式NOR快閃記憶體晶粒、兩個或兩個以上的串列式NAND快閃記憶體晶粒、亦或是一顆串列式NOR快閃記憶體晶粒與一顆串列式NAND快閃記憶體晶粒。其中一種典型的組合是將用來存放程式碼的NOR 快閃記憶體晶粒與用來存放資料的串列式NAND快閃記憶體晶粒合封於WSON8——8mm x 6mm的封裝內。此解決方案的優點是靈活的記憶體容量組合,並同時維持低接腳數。其中所需操作的記憶體晶粒將藉由軟體指令(‘C2h’)來做選擇,並不需要多一根接腳來做為切換訊號。

串列式NOR快閃記憶體、串列式NAND快閃記憶體、串列式堆疊封裝記憶體(SpiStack)所支援的記憶體容量可完整支援LPWAN或是LoRaWAN連接的IoT節點需求。舉例來說, 需求較低的端點通常用3V或1.8V 16Mb以下的串列式NOR快閃記憶體;筆記型電腦連接的IoT節點通常使用1.8V,需較高密度的串列式NOR快閃記憶體,容量範圍在32Mb到128Mb;而有些應用可能需要使用1Gb或更大的數據容量,就需要串列式NAND快閃記憶體或串列式堆疊封裝記憶體(SpiStack)。

用於LPWAN的IoT節點通常為電池供電的移動裝置,因此功耗是系統設計上首要關注的項目。各家標準的串列式快閃記憶體通常可支援3 V與1.8V,其中 1.8 版本在工作模式與待機模式中皆提供較低的功耗。

20171228_Windbond_NT41P3 圖3:Winbond串列式NOR快閃記憶體讀取電流比較表 (製表:Winbond。含1.2V超低功耗新產品)

一般1.5V的設備具有較寬廣的工作電壓設計,從1.14V至1.6V,好處是使用電池供電的環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(請參閱圖3)的串列式NOR快閃記憶體,此新型1.2V超低功耗產品的工作電壓涵蓋範圍從1.14V至1.3V,可延長從電池滿電到電壓慢慢下降期間的穩定使用。此新型1.2V串列式NOR快閃記憶體容量從1 Mb到128Mb,在104 MHz的工作模式下工作電流僅4.9mA,而在低電源模式下電流僅0.5μA。

以高速串列式快閃記憶體實現成本與空間的節約

總結來說,設計者可藉由高速QSPI或QPI串列式快閃記憶體實現XiP操作來省去使用DRAM元件,從而節省空間並降低元件的數量和成本。若要更進一步的節省空間,可使用串列式堆疊封裝記憶體(SpiStack)。此外在電池供電的應用上可使用1.2V超低功耗串列式NOR快閃記憶體。

此最新一代的串列式快閃記憶體產品可幫助IoT 節點設計者在降低成本的條件下同時滿足其性能要求,幫助設計者實現總系統成本低於5美元的目標。

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