第四次工業革命(也就是所謂的工業4.0)是指大規模的將工業設備與作業生產流程作智慧化整合。對於所有重要的電子元件和機器設備而言,都在工業4.0的範疇之內。

非揮發性記憶體也不例外,在工業4.0的發產趨勢之下,非揮發性記憶體也面臨5項重要的考驗來滿足設計的需求:

  • 成本
  • 晶片大小
  • 速度
  • 功耗
  • 安全性

雖然有其它不同新興的非揮發記憶體技術仍然正在發展,現今發展已久的快閃記憶體技術已被證實為最適合面臨這些挑戰。這篇文章將說明目前快閃記憶體的創新技術如何幫助系統研發人員利用新的設計已符合工業4.0的應用。

工業4.0的需求

全球著名的商業管理顧問公司麥肯錫對於工業4.0的定義 是對於工業製造的數位化, 並由以下4個項目驅動:

  1. 巨量資料的產生與蒐集,處理器運算與連接能力,特別是在低功耗的廣域網路(LPWAN) 應用。
  2. 分析與商業智能 (Business Intelligence,簡稱:BI) 的能力提升。
  3. 新形態的人機介面出現,像是觸控與擴增實境 (AR)。
  4. 數位指令轉換到現實世界的進步,例如機器人學和3D列印。

工業4.0設備由於不斷電的持續操作與具備連網能力,具備有產生巨量資料與利用大數據的特點,低功耗廣域網路(LPWAN)普遍應用在工廠、倉庫等工業園區,整個供應鏈將能夠即時的使用軟體來分析儲存在雲端的巨量資料如產品、庫存、資產等狀況。

大量的感測器佈署將會是支撐此數位化爆炸性成長的動能,例如可透過無線通訊傳輸來存取的RFID智慧標籤。這些感測器裝置通常由電池供電或是藉由能量採集(energy harvesting)的方式來提供操作電源,因此會需要有極低功耗的快閃記憶體來儲存歷史資料紀錄。

新的控制技術要應用在工業設備又會是完全不同的挑戰,現今在公共道路測試的無人車駕駛技術,也應用在工廠和倉庫中,以達到增加效率及免除人為駕駛操作的危險性。工業用的無人駕駛車已經佈署在不同應用像是堆高機和電動運輸車。(如下圖1)

20181106_Winbond_NT41P1 Fig. 1: the autonomous Linde R-MATIC reach truck transports palletized goods of up to 1.6 tons fully automatically to high-bay racks. (Image credit: Linde)

最廣為人知應用在消費性產品的技術如虛擬實境 (VR) 和擴增實境 (AR) ,同樣地也為工業應用提供潛在的應用價值,像是提供操作上的協助應用在人工生產線、設備保養和維修等。

這些高度精密的應用將必須仰賴相對容量較大的軟體程式編碼來執行,遠超過於現今一般的工業應用。 這也將為那些工業系統開發人員帶來設計上的壓力,面臨如何去選擇更高容量的儲存記憶體而可以不相對的增加料件成本和元件本身的尺寸。

最後,對於所有工業4.0設備的共通特點就是網路連接性。然而網路的連接本身就存在著被駭的風險問題。具有安全性功能的快閃記憶體就像是提供硬體保護屏障,讓工業設備所連結的網路能保障此設備本身操作的安全性而不被竄改。

快閃記憶體的技術演進在工業4.0世代

近幾年新興的非揮發性記憶體技術不斷的宣稱部分特性能超越現有普遍使用的快閃記憶體。然而在現今普遍使用的快閃記憶體具有以下的優點:

  • 工程人員開發熟悉性
  • 技術可靠度已在各種不同應用產品被大量驗證
  • 具有多種產品選擇性可符合不同應用的需求
  • 由世界各記憶體領導廠商(例如華邦電子)持續投入研發製程與新功能研發

如今各家快閃記憶體的製造商也加快腳步來快速反應工業4.0的設備和系統對新的記憶體需求, 包含成本, 晶片大小, 效能,功耗與安全性。

在封裝方面的創新

半導體產業一般透過製程演進達到降低晶片的大小和成本。使用在工業4.0設備的高階微處理器就像是中央處理單元。為了效能和改善成本,許多知名的微處理器廠商都在尋找製程演進從55奈米或40奈米轉換到28奈米,或是更先進的製程。然而在先進製程中,使用嵌入式NOR快閃記憶體是一件非常昂貴的事情,且要把NOR快閃記憶體微縮到4x奈米以下已經證實是會有諸多問題待解決。華邦已經和許多微處理器的廠商透過堆疊晶片的方式來解決這個問題,將28奈米的微處理器與58奈米的NOR快閃記憶體封裝在一起。對高階的工業設計這樣的結合提供優化了IC腳位數目,效能與搭配性高的快閃記憶體容量。

功耗方面的創新

為了即時提供監測數據,智慧無線標籤與貨牌被大量的使用在工業應用,像是在運送路途中不斷的紀錄這些容易腐壞的食物與藥物的溫度跟濕度。這些無線裝置必需要能夠長時間儲存數據透過容量有限的電池或是能量捕獲。

為了要能支援這些容量不高的電池和從能量捕獲到的有限電量,外掛式的快閃記憶體正在開發使用低於一般1.8V電源的操作方式。像是華邦電子提供的 W25QxxND系列產品可操作在1.14V到1.6V的電源,提供僅8支腳位的封裝 (如圖2),可支援一般標準/雙/四腳位輸出入的SPI序列介面達到最高52MB/s的傳輸率。

20181106_Winbond_NT41P2 Fig. 2: the Winbond 8Mbit 25Q80NEXIG 1.2V Flash IC in a 2mm x 3mm USON8 package. (Image credit: Winbond)

效能上的創新

SPI介面的NOR和NAND是快閃記憶體的核心,對於資料和程式碼的儲存,提供小型封裝、低腳位數的解決方案。但是傳統的序列架構卻限制了資料的傳輸速度,資料傳輸量相對慢於並列式的快閃記憶體。

華邦電子正在開發創新的高效能序列SPI NAND快閃記憶體技術。單層SLC NAND為工業應用提供高可靠度的儲存媒介。但是當在需要高資料傳輸率的應用時,研發人員會選擇使用速度較快的NOR Flash,但是NOR Flash相對容量較小所以每單位儲存成本會比NAND貴上許多。

現在華邦電已經推出1Gb的序列SPI NAND,W25N01JW,提供相當於SPI NOR最高到83MB/s的資料傳輸率。更令人驚訝的是,華邦電使用可支援8 I/O的設計架構,在兩個序列SPI NAND Flash使用dual quad的SPI介面,來達到兩倍的資料傳輸率166MB/s。(如圖3)

相對於使用容量大於512Mbit的NOR flash,這樣新的 SPI NAND架構可以提供高儲存容量和低成本的解決方案,也足夠應付對於資料傳輸量要求高的圖形應用。W25N01JW正在開發適用在汽車上的認證,可使用在汽車的儀表板,工業用無人駕駛載具,AR和VR等應用。

20181106_Winbond_NT41P3 Fig. 3: the dual quad architecture of the W25N01JW serial NAND Flash device. (Image credit: Winbond)

安全性的創新

惡意病毒與程式讓大量連上網路的工業4.0裝置暴露在危險中,讓使用者的隱私和資料備受威脅。現今有許多方法讓研發人員去應對這些安全性的風險,透過硬體上的認證是一個較安全的方式,這能確保只有被授權的裝置可以在網路上共享資料。

為了替關鍵的軟體像是開機程式提供硬體認證保護,華邦電推出了W74M這一系列的安全性快閃記憶體解決方案。此原件具有標準的HMAC-SHA-256加密加速器和單向性計數器的演算法所產生的一次性密鑰。W74M可讓系統設計開發人員在網路結點和雲端上的裝置導入多階層的交互認證。

快閃記憶體演化滿足工業4.0需求

在非揮發性記憶體儲存開機程序與資料是工業設備的所需功能之一,工業4.0在數位化與快速資料分析需求的增長趨勢下,非揮發性記憶體將必須滿足更快速、高容量、低耗電、低成本這些需求。

如此篇文章所述,在工業4.0的時代的到來,持續開發中的序列SPI 快閃記憶體將維持在這領域應用的領導地位,並為研發人員帶來創新的系統設計價值。

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