提高物联网可穿戴设备的性能和安全性

许多物联网应用——包括联网汽车、工厂自动化、智能城市、联网健康和可穿戴设备——都需要非易失性存储器来存储数据和代码。传统上，嵌入式应用程序为此使用外部闪存。

然而，随着现代半导体技术在转向更小的几何形状时面临缩放和成本方面的挑战，在主机 SoC 中嵌入闪存变得越来越困难。因此，未来的 MCU 或 SoC 设计的目标是系统级封装 (SiP) 或外部闪存的使用。这种趋势并没有满足可穿戴设备等物联网应用的需求，因为它们的外形尺寸小、成本限制严格以及低功耗相关要求。

为了解决这些问题，闪存制造商正在开发优化尺寸和功耗的架构。与此同时，他们正在引入重要的新功能，以支持更高的耐用性、可靠性、安全性和安全性。

内存大小

传统和当代可穿戴设备需要低密度 NOR 闪存解决方案来存储代码，但随着应用程序变得更加复杂并且需要记录更多数据，它们需要更高的密度。新的单元架构可实现更大的内存容量。例如，MirrorBit 技术可以为每个单元存储两位，并支持高达 4 Gb 密度的产品。与传统的浮栅 NOR 闪存架构相比，这种密度的增加允许将芯片尺寸缩小 20% 到 30%。这种更小的芯片尺寸还增加了外部存储器的封装灵活性。对于 SiP 解决方案或采用晶圆级芯片级封装 (WLCSP) 的外部非易失性存储器，较小的芯片尺寸是一个合适的选择。

为了支持对更大内存阵列的访问速度，需要一个高速接口。例如，赛普拉斯的 Semper NOR Flash 具有运行速度为 102 MB/s 的 Quad SPI 协议和运行速度为 400 MB/s 的 xSPI 协议。高性能物联网应用以及需要即时启动功能和 NOR 闪存就地执行 (XiP) 的应用都需要高速接口。

图 1. 存储器制造商正在开发 MirrorBit 等技术以提高存储器密度。 （来源：赛普拉斯）

除了更大的内存大小，新架构也更加灵活。代码、数据和数据记录各有不同的存储要求。凭借允许开发人员配置扇区大小并提供连续寻址方案的灵活扇区架构，可以以最匹配存储在那里的代码或数据的方式对内存进行分段。

就地执行 (XiP)

随着物联网设备不断扩展到更多种类的应用程序和操作环境，对安全和安保的要求也变得更加严格。存储代码的内存需要允许系统从内存启动、记录传感器数据和执行 XiP 功能。这些功能在传统的NOR flash架构下是不容易实现的。

考虑一个典型的物联网应用，其应用处理器具有连接到外部 NOR 闪存的内部 RAM。这些应用程序通常将应用程序代码和数据存储在 NOR 闪存中，并在上电时将所有内容从 NOR 闪存下载到内部 RAM。此用例称为“存储和下载”(SnD)，如图 2 所示。应用处理器的内部 RAM 密度限制了 IoT 系统性能改进，例如更快的无线更新、改进的显示性能、增加的网络吞吐量、改进的音频性能、SPI/UART 上的传感器融合以及算术运算。由于内部 RAM 密度有限，此类改进需要更改 BOM。

图 2. 存储和下载 (SnD) 用例。 （来源：赛普拉斯）

图 3 显示了处理器如何从 NOR 闪存复制数据并在上电时直接从 NOR 闪存使用 XiP 执行代码。通过这种方法，处理器有更多的内部 RAM 可用于改进应用程序。因此，使用由 NOR Flash 支持的 XiP 可以在不影响性能的情况下改进物联网应用。

图 3. 就地执行 (XiP) 用例。 （来源：赛普拉斯）

通常，仅出于耐用性和可靠性问题，NOR 闪存才用于随机快速读取目的。所有闪存都会在大量编程/擦除循环中发生物理性能下降，最终可能导致设备故障。一些物联网应用需要闪存设备的高耐久性和高保留率；较低的数据保留或耐久性可能会影响系统功能。

存储器制造商正致力于提高耐用性的新架构，以便应用程序现在可以使用 NOR 闪存执行数据记录。例如，赛普拉斯 Semper Flash 中的 EnduraFlex 架构通过将闪存设备划分为多个分区来优化系统设计。每个分区都可以独立配置为高耐用性或长期保留。对于频繁的数据写入，一个分区可以配置为提供多达 256 万个编程/擦除周期，而在典型的 NOR 闪存设备中则为 100,000 个周期。同样，数据保留时间也可以得到改善，最长可达 25 年。

安全保障

代码和敏感的用户数据（例如医疗可穿戴设备）必须在安全（即通过防止数据损坏的可靠操作）和安全性（即保护数据免受黑客攻击）方面得到保护。为实现这一目标，存储器变得越来越智能，并集成了嵌入式 Arm Cortex-M0 CPU 等处理器，以处理复杂的安全相关嵌入式芯片算法（见图 4）。这增强了可靠性，同时有助于提高设备性能、安全性和保障性。

图 4. 今天用于可穿戴设备的 NOR 闪存提供更大的容量以及许多安全和安全功能。这里展示的是赛普拉斯的 Semper NOR 闪存架构。 （来源：赛普拉斯）

借助集成处理器，NOR Flash 还能够支持提供端到端数据完整性和保护的各种功能和诊断。 NOR Flash 支持传统的高级扇区保护 (ASP) 方案以及 1 KB 一次性可编程 (OTP) 区域，但这些功能对于某些物联网或可穿戴应用程序来说是不够的。高级 NOR 闪存支持额外的端到端安全解决方案，包括云到闪存安全、安全无线固件 (FOTA) 更新和安全写保护。

电源效率是可穿戴设备的另一个重要考虑因素。可穿戴设备往往会在很短的时间内使用 NOR 闪存设备的有功功率。在所有其他时间，NOR 闪存设备保持待机或深度掉电模式。此外，大多数可穿戴设备使用电池供电。这需要具有低待机和深度掉电电流的 NOR 闪存设备。今天的 NOR 闪存可以支持 6.5 µA 量级的低待机电流和 1 µA 量级的深度掉电电流。

尽管可穿戴设备倾向于在室温环境中运行，但一些物联网应用需要能够在极端温度下可靠运行。对于这些应用，可提供可处理 -55°C 至 +125°C 环境温度的工业存储器。

结论

可穿戴设备是未来物联网市场增长的重要组成部分，其要求从外形、功率和成本到安全和安保。随着集成处理器等 NOR Flash 技术的进步，这些存储器可以提供更高的密度、更低的功耗、更高的安全性和更高的性能