汽车系统的设计变得越来越复杂,因为要不断的加入新的功能,如高级驾驶辅助,图形仪表,车身控制和车辆信息娱乐系统。为了确保可靠、安全的操作,每个子系统均需要使用特定的非易失性存储器,以便在复位操作和电源切换期间存储信息。非易失性存储器用于存储可执行代码或常量数据、校准数据、安全性能和防护安全相关信息等重要数据,以作将来检索用途。

目前市场上主要包含这几种不同类型的非易失性存储器,如NOR 闪存、NAND 闪存、EEPROM(可擦除的可编程只读存储器)、FRAM(铁电存储器),MRAM(磁性 RAM)和 NVSRAM(非易失性静态存储器)等。每种类型存储器在不同性能指标下具有各自的优势和劣势:存储器密度、读写带宽、接口频率、耐久性、数据保存、不同电源模式下的电流消耗(开机、待机/睡眠、休眠)、预备时间、对外部电磁干扰的敏感度等。

为了了解最新汽车系统对非易失性存储器的真正需求,工程师需要考虑现实生活中的使用实例:

●启动汽车后,驾驶员是否愿意花几分钟等待仪表盘、里程表以及燃油量图形都正常显示?

●驾驶员调节了座椅位置、方向盘位置、温度设置以及收音机频道,但由于某些原因不得不马上关掉发动机。如果上述子系统未能保存汽车熄火前的设置,那么驾驶员需要重新再来一遍,岂不是非常麻烦?

●尽管汽车安装了 ADAS 安全系统,但作为一辆交通工具,事故仍有可能发生。你能否向保险调研团队提供所需的数据,例如事故发生前几秒不同传感器的状态?

举例ADAS系统来说,从特定的传感器采集并存储实时数据到非易失性存储器是非常重要的。同样地对于汽车娱乐系统,在系统掉电的同时能存储系统设置信息也是非常重要。GIS和信息娱乐系统都有高清图形显示不仅需要存储与读取启动程序还需要存储与读取非常大的配置从外部的非易失性存储器。

除了满足应用的需求,非易失性存储器还需确保足够的读写次数来记录至少 20 年数据。此外,为了达到汽车级认证和资格,所有子系统应采用符合 AEC-Q100 标准的存储器组件。同时,功能性安全性能符合ISO 26262标准是另外一个要求在这种高安全性要求的系统。

ADAS 存储器要求

ADAS 系统主要设计自动操作/自动调整/增强汽车系统以实现更安全、舒适的驾驶体验。安全性功能主要用于避免事故发生通过提醒驾驶员潜在的问题,或通过实施保护措施和接管控制汽车来避免碰撞。自适应功能包括可以自动照明、提供自适应巡航控制、自动刹车、结合 GPS/交通警告、连接到智能手机、提醒驾驶者有其他车辆或者危险状况、保持司机在正确的车道行驶以及显示驾驶员的盲点。

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图 1. ADAS 系统框图(来源:赛普拉斯)

图 1 为 ADAS 系统如何利用 FRAM 和 NOR 闪存的简化框图。外部 NOR 闪存通常用于存储启动代码。然而,ADAS 系统中的各种传感器通过 CAN(控制器局域网)接口定期向 MCU 发送数据。MCU 运行自适应算法,检查是否可能碰撞或已经发生碰撞。处理算法的运行时间变量和传感器的当前状态则存储在 MCU 的存储器中。

当算法检测到事故时,安全气囊控制模块即时启动备用电源并打开安全气囊,确保在事故期间断电也能部署应对。事故发生时的传感器状态也应立即存储到非易失性存储器以作数据记录。这些数据可以有效地帮助了解事故原因,促使汽车制造商生产更加先进的安全系统,同时辅助保险公司判断索赔是否有效。

行车记录仪 (EDR) 是用于记录事故发生前各个重要子系统数据的系统。可以安装在 ADAS 主控单元,或者安装在另一个接收重要传感器数据并与 ADAS MCU 进行通信的 MCU 中。如今,工程师可以使用多核设备为 EDR 功能提供一个专用的完整 CPU 核,例如赛普拉斯的 Traveo™ 汽车用微控制器。

EDR 通过测量汽车前部压力传感器的撞击力、车速、发动机转速、转向输入、油门位置、制动状态、安全带状态(检测乘客)、轮胎气压、警告信号以及安全气囊打开状态,从而判断碰撞严重程度。并且在汽车碰撞前和碰撞期间记录以上数据。显然,微控制器不能等到事故发生才开始记录数据。因此,微控制器需要连续存储数据。所以,EDR 需要一个具有几乎无限写次数的非易失性存储器。

FRAM 存储器比 ADAS 的传统 EEPROM 拥有更多优势。无需写等待时,几乎可以实时存储重要数据(实际10us 存储时间),这一点对 ADAS 来说至关重要。EEPROM 通常需要超过 10 毫秒的写等待时间,因此不适用于高安全性应用。FRAM 同时具备无写延迟和高速时钟速度,非常适合需要快速写入大量数据的应用。使用 SPI 时,设计师可以自由决定 FRAM 的写入字节数。把一个或两个字节写入 FRAM 的随机位置时,写入周期约为 1 微秒。反观 EEPROM 或闪存,则需要 5 - 10 毫秒的写入周期。

与 EEPROM 或闪存不一样的是,FRAM 无需页面缓冲区。在接收每个字节的第 8 位之后,FRAM 立即写入每个数据字节。这意味着,系统存储器密度增长时,工程师不必担心页面缓冲区大小的变化。

就写入耐久性而言,FRAM 可以支持100亿次写操作,远远超过 EEPROM 的 100万次以及闪存 的10万次。因此,FRAM 可以用作追踪数据记录器,可以不断写入数据。此外,FRAM 的写入和读取的消耗功率非常低(例如,1 Mhz 时为 300 微安),因此非常适用于事故引起断电时需要使用低功率备用电源或通过电容写入数据的 ADAS。与其他非易失性存储器相比,FRAM 的待机电流也低得多(通常为 100 微安)。

汽车仪表盘对存储器的要求

仪表盘系统以数字形式在图形显示器上显示速度、转速、燃油油位和发动机温度等重要信息,或者使用步进电机控制的模拟形式显示。此外,仪表盘系统还可以显示电池警告、温度警告、低油压警告、制动警告、安全带状态标识、低胎压标识、门锁标识、车头灯标识、换档指示、手刹状态指示,以及车内和室外温度、里程表读数等。

最新的仪表盘系统还包括平视显示器 (HUD)。平视显示器是一种光学系统,可以将驾驶信息投射在汽车的挡风玻璃上。使用平视显示器,驾驶员可以方便地查看重要的驾驶信息,同时让目光保持关注前方的交通状况。由此可以降低因目光离开道路而带来的潜在风险,并为驾驶员提供额外时间以识别危险因素并作出反应。平视显示器可以显示速度、导航和其他重要警示符号。

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图 2.仪表盘系统框图(来源:赛普拉斯)

图 2 显示了围绕 HyperRAM 和 HyperFlash(连接 HyperBus 接口)以及 NOR 闪存(连接 DDR-HSSPI 接口)安装的仪表盘简化框图。仪表盘 MCU 可以通过 CAN-FD、CXPI(时钟扩展外设接口)、以太网 AVB、MediaLB(媒体本地总线)/MOST(媒体定向系统传输)等不同的通信协议连接其他子系统,从而收集信息并显示于仪表盘。

仪表盘系统启动后,安全引擎立即检验固件的真伪性。随后,通过 HyperBus 接口从外部 HyperFlash 或通过 DDR 转换 DDR-HSSPI 接口从 NOR 闪存执行 XiP,MCU 软件开始执行。XiP 功能允许 MCU 直接从外部存储器执行代码,而不需要先把外部闪存的代码复制到内部 RAM,从而提高了响应速度。NOR 闪存/ HyperFlash 存储器可配置程序代码的初始地址位置,并在指定的时钟延迟后以读取模式启动。因此,MCU 一启动就可以直接获取需要执行的代码,无需因为提供地址和读取命令而延迟时间。

可从外部 HyperFlash 获取静态元素,并将其显示为仪表盘 LCD 的基础层。汽车用 MCU,例如赛普拉斯 Traveo™ 系列,可以提供额外的功能支持,即时解压缩静态 HMI 元素,无需首先通过 RAM。仪表盘针头信息等动态内容具备更快的更新速度,可以从外部 HyperRAM 进行检索。

HVAC 和信息娱乐系统对存储器的要求

HVAC(暖气、通风和空调)系统负责控制维持车内温度和空气流动。信息娱乐系统可以运行与智能手机类似的各种应用程序,并提供用户界面以更改 HVAC 系统配置、音乐系统设置、在导航应用输入目的地、调整座椅/方向盘位置/高度以及调节车内照明等。部分最新的汽车还加入了指纹识别器来验证驾驶者身份。从而允许 HVAC 和信息娱乐系统根据驾驶员的偏好快速调节车内设置。

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图 3.HVAC 和信息娱乐系统框图(来源:赛普拉斯)

图 3 显示了 HVAC 和信息娱乐系统的简化框图,所有存储器与主 MCU 连接。三个额外子系统与仪表盘系统比较:

●触屏控制器,用于检测显示器上的手指触摸
●暖气机/空调,控制车内温度
●连接子系统,实现车内多项连接(蓝牙、GPS、WiFi、GSM、FM 调谐器等)

HyperFlash 和 HyperRAM 存储器用于存储高质量图形。NOR 闪存则用于存储启动代码,而 FRAM 用于存储设置信息。因此,即使汽车熄火后再立即启动,也可以正确地检索并恢复汽车设置。

存储器接口

上文已经讨论了不同汽车领域对非易失性存储器的要求,接下来了解这些存储器与 MCU 之间不同的接口机制。

所有带有 SPI 接口的 MCU 都可以便捷地连接 NOR 闪存。NOR 闪存设备,例如赛普拉斯的 S25FL256L,为 SPI 提供了多个 I/O 读入选择,可支持双倍数据速率 (DDR) 以及四倍外设接口 (QPI) 连接。可以在同一总线上连接多个闪存,并使用片选 (CS) 信号进行单独访问。

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图 4.连接四通道 SPI 的 NOR 闪存接口(来源:赛普拉斯)

图 4 显示了 MCU 和 NOR 闪存之间的硬件连接。MCU 可使用低层驱动器 (LLD) 软件读取、编程和擦除 NOR 闪存。经过优化的设计架构有效加快了访问时间并提高了程序运行速度。同时,NOR 闪存使用的内部技术决定了存储器的密度。NOR 闪存采用传统浮栅技术,在导电层上,每个存储单元可以存储 1 个数据位。基于 MirrorBit 技术绝缘层构建的 NOR 闪存,每个存储单元可存储 2 个数据位,从而提供更低成本的 256 Mb 或更大密度的存储结构。

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图 5.连接 SPI 的 F RAM 存储器接口(来源:赛普拉斯)

图 5 显示如何使用简单的 SPI 接口来访问 FRAM。对于有高速串行数据速率需求的基于微控制器的系统,SPI 接口是理想的选择。串行数据吞吐量与串行时钟频率相关。串行 FRAM 的时钟频率可高达 40 Mhz。不具备专用 SPI 端口的微控制器可以通过 GPIO 来实现“bit bang”(通过GPIO引脚,用软件来模拟串行通信)。

可以通过 HyperBus 12 信号接口访问 HyperFlash 和 HyperRAM。与 Quad-SPI (66.5 Mbps) 相比,HyperBus 可提供高达 333 Mbps 的读取吞吐量,而所需引脚数量仅为并行 NOR 闪存的三分之一。该接口使用了差分时钟 (CK,CK#)、 读写数据选通 (RWDS)、片选以及 8 位数据总线。

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图 6:存储器与外设之间的 HyperBus 接口(来源:赛普拉斯)

数据的完整性和安全性

数据的完整性和安全性是选择汽车应用存储器的两个重要因素。本文介绍的存储器提供了各种功能来提高数据的完整性和安全性。例如,高级扇区保护 (ASP) 技术为锁定扇区提供更高的分辨率以及不同的上电复位,并有助于运行安全的启动代码。在基础层面上来看,ASP 技术的原理很简单。可以锁定任一扇区,防止编程和删除。锁定扇区的 ASP 模式有两种:分别为持久保护位 (PPB) 和动态保护位 (DYB) 保护。除了块保护 (BP) 和/或 WP# 引脚硬件保护,还可以一并使用以上两种模式。

自动纠错码 (ECC) 功能可以在标准编程、擦除和读取运作时透明地运行。当设备将每页数据从写入缓冲器传送到存储阵列时,内部 ECC 逻辑将评估页面的 ECC 代码作为存储阵列的一部分,而该存储对主机系统是不可见的。每次访问初始页面时,设备将评估页面数据和 ECC 代码,以验证页面的完整性。必要时,内部 ECC 逻辑会在初始访问时纠正 1 位错误。

NOR 闪存还提供额外的闪存存储区,可以进行一次编程并受到永久保护,不能更改。以赛普拉斯的 FL-S NOR 闪存系列为例,该一次性可编程 (OTP) 拥有 1K 保护区域,包含 512 字节出厂保护锁区和 512 字节用户保护锁区。

总结

如今的汽车系统需要多样的存储器类型,提供不同等级的可靠性、响应能力和吞吐量,以满足不同汽车子系统中的个性化需求。通过选择合适的存储器组合,工程师能够确保汽车的可靠和安全操作,同时还能满足驾驶员对汽车响应能力的期望。

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物联网(IoT)领域建立在云计算以及由移动、虚拟和即时连接搭建的数据采集传感器网络的基础之上,并且有望到2020年成为一个1.7万亿美元的市场。IoT已经渗透至各行各业:从工厂自动化到点播娱乐和可穿戴设备。

IoT无疑是推动半导体行业和嵌入式系统发展的新动力。它的诞生推升了市场对众多新使能技术的需求,其中包括:

  • 新一代超低功耗IC

  • 全新的无线通信协议

  • 分析及云计算的全新数据处理技术

随着互联网上的数据以艾字节为单位流动,物联网正不断推动对低功耗、高性能存储器的需求,而这种存储器还必须具有引脚数少的特点以适应且外形小巧的应用。通过结合特殊的低功耗模式(如深度低功耗和深度睡眠),微控制器已经适应了这一新要求。此外,这些微控制器的性能(时钟频率和功能集)还会随着更新换代而不断提高。为紧跟这一步伐,存储器设计人员必须不断进行调整,使客户不必担心性能与功耗之间的权衡。

零售业作为物联网增长日益突出的领域,本文是聚焦于关注该领域内半导体存储器发展趋势的系列报道中的最后一篇。大型商店已经开始使用物联网与他们的客户群展开互动,并且能够针对个人购物者量身打造个性化购物体验。整个商店的零售人员都可将设备彼此相连,还可连接到公司总部和云资源。最终目标是部署这类技术,利用收集的数据来推动销售、建立客户忠诚度、管理库存并提高运营效率。

在之前的文章中,我们探讨了零售领域中最早采用物联网的两个装置——销售终端机和电子货架标签。最新一代智能 POS 终端通常是零售商跟踪客户购物习惯、管理库存并通过促销来提升忠诚度的第一步。所有主要的 POS 终端供应商都已推出可实现这些功能的型号。这些型号往往功能强大、外形小巧,可由电池供电且安全性极高。相应地,这些要求也为装置中所采用的半导体芯片带来了挑战。

您可以点击下方相关阅读学习本系列第一部分有关 POS 终端的文章。电子货架标签是许多商店正在使用的相对较新的设备类型。这些货架装置可进行编程,能够根据促销和库存来更新标价并跟踪消费者的购物行为。它们还会自动执行繁琐任务,同时消除差异和延迟。因此,这些装置可以相对较低的投资为零售商提供重要的分析信息。您可在此阅读有关电子货架标签的文章。

在本文中,我们将介绍最后一项技术,这项技术已在多家商店中引入,并且在不久之后将继续被广泛采用。这些装置将为消费者带来更具吸引力的购物体验,同时帮助零售商实现库存管理和改善客户服务。

可穿戴技术可能是随着物联网蓬勃发展而出现的最普遍(和宣传力度最大)的技术。它们不但在日常生活的许多方面都非常有用,包括记录您的健身数据、接听电话和发送通知,并且他们还可以整合我们生活中许多其他方方面面活动。可穿戴设备可为智能零售业带来极大优势。例如,可以向购物者提供定制优惠、完成付款,甚至还可根据购物清单引导购物者逛商店。此外,这些零售商店的工作人员也可以用这些装置更高效的完成工作,从而提高完成量。部分可穿戴设备的应用可在库存管理和客户关系管理方面简化员工的工作效率。

相较于大多数其他的智能购物应用,可穿戴设备中对半导体的需求截然不同。这类半导体主要受功率、带宽和尺寸影响,而这也正是该系列所特有的要求。这一点也同样适用于要求小巧外形、低功耗和高带宽的存储器。

可穿戴设备中的 PCB 尺寸极小,可放入人的掌心或戴在手腕上。这意味着存储器的尺寸要求尽可能小巧,最好不超过裸片。除晶片尺寸封装外,其他手段难以实现这种尺寸。此外,现如今的可穿戴设备的功能需求几乎与移动设备一样,同样需要配备高清显示屏、能够运行功能强大的应用程序、从多个传感器不断采集数据,同时还可以运行大量后台任务。这种严苛的需求导致高端处理器和外围设备不可或缺。

由于可穿戴设备只能采用小型电池运行高速进程,因此其功耗也必须极低。对于较小的可穿戴设备,其电池使用寿命至少应为一天。若加大电池尺寸,则会导致可穿戴设备的重量和尺寸增加,导致设备美观度的降低。

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图1:典型的可穿戴架构

图 1 显示了可穿戴设备的典型组件。功耗最大的组件是显示屏。不过,功耗的差异很大,具体取决于显示屏是 LCD(功耗最高)、OLED 还是电子墨水屏(最低)。其余组件的一般架构在所有可穿戴设备中基本类似。Cortex M4 是使用最广泛的控制器之一,具有较低的功耗和出色的性能。Cortex M4 控制器的内部 RAM 大小介于 384KB 到 768KB 之间。 尽管这些设备体积小巧,但它们可执行复杂的任务,并从各种传感器收集大量数据。机载 RAM 可以较低的待机电流备份数据,支持设备存储传感器数据、构建用于蓝牙传输的协议包或者在屏幕唤醒期间存储当前显示屏内容。

市面上提供的几种活动追踪器可显示它们所连接的智能手机上的短信、电话通知和日历活动,而这些均需要系统提供额外的存储空间。低功耗且具有 4 到 8 Mb 空间的扩展 RAM(易失性或非易失性)可解决这类难题。表 1 显示了这些常见组件的功耗比较。

表1:可穿戴设备组件的典型电流消耗
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可穿戴设备使用各种存储器实现不同功能。常见的存储器类型是非易失性存储器和 RAM。虽然 NOR 闪存是最常见的非易失性存储器类型,但 DRAM 和 SRAM 也可用于随机存取任务,如缓存和缓冲。大型智能手表、智能眼镜和虚拟现实头盔等高端可穿戴设备通常采用 DRAM,因为其存储密度较高。活动跟踪器和小型智能手表等较小的设备通常采用 SRAM 来实现比高密度存储器更低的功耗。由于它们采用的电池较小,且预期续航时间要长于较大的可穿戴设备,因此它们不能采用因刷新而导致功耗较高的 DRAM。在 DRAM 和 SRAM 之间进行选择时,需要对容量和功耗做出权衡。

本文及前几期文章仅仅介绍了少数几个可使购物体验智能化的组件。此外还有支持大量数据分析的各种摄像头、传感器、信标和显示屏。由于它们的存储器要求较低或多年未发生变化,目前暂不需要关注它们。

在这些组件得到广泛使用且发展水平超出了其当前使用范围时,我们将重新审视并研究它们如何影响半导体设计。无论如何,设备的基本要求不会改变,即在不影响性能的同时尽可能降低功耗、减小尺寸和提高可靠性。

相关阅读:

智能购物应用中的存储器——第一部分
智能购物应用中的存储器——第二部分

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在本文第一部分,我们探讨了如何利用IoT的先驱之一POS终端。这些智能POS终端通常是零售商采取的第一项措施,以便帮助他们追踪客户的购物习惯,管理库存,并通过促销活动提升客户忠诚度。所有主流POS终端供应商都推出了具备这些功能的型号,它们通常具备功能强大、紧凑、电池供电和安全的特点。这些要求都转移到这些设备使用的所有半导体芯片上。欲了解详情,您可点击参阅智能购物应用中的存储器——第一部分

接下来将为您介绍一些可能在不远的将来引入商场的其它关键设备。这些设备可以使客户获得一种互动性更强的购物体验,同时还能为零售商管理库存和改善客户服务。

电子货架标签(ESL)

商场雇员的一项日常工作就是在过道上来回走动,将价格和信息标签放置在货架上。对于经常开展促销活动的大型商场而言,他们几乎每天都要更新标价。不过,借助电子货架标签(ESL)技术,这项工作正被转移到线上完成。

电子货架标签是一项迅速崛起且广受欢迎的技术,它能够取代商场中每周都要更换的纸质标签,从而减少工作量和纸张浪费的现象。ESL技术还消除了货架和收银机之间的价格差,并能让商场灵活地随时修改价格。它的一个长期功能是:可让商场根据促销活动和具体客户的购物历史为其提供定制价格。例如,如果某位客户每周都要购买一打鸡蛋,商场可以为其提供一项订购计划,以鼓励其继续如此行事。

形式最简单的ESL由一个LCD或电子墨水显示屏、RF模块、配套处理器、纽扣电池和低引脚数存储器(易失性和非易失性存储器)构成。根据所需功能,商场可以将价格走势、购买走势和当前库存信息存储在ESL中,然后在一天结束的时候刷新中央服务器中的数据。使用一个低功耗控制器和存储器可让整个系统由一颗小纽扣电池供电,而且仍然可以工作数年。基于内置的连接选项(通常是BLE或Wi-Fi),板载存储器可兼作协议栈存储空间,绕过商场的中央服务器,直接连接用户手机。

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图1:ESL标签

鉴于电子货架标签(ESL)的成本和续航要求,大多数ESL将使用低端无线控制器,如德州仪器的WIFI+Zigbee SoC(CC253X系列)。这些控制器兼作处理和连接单元,并包含一个电子墨水显示屏、闪存以及用于创建和转发协议包的板载RAM。闪存通常用于存储引导代码,这些通常不会超过数个MB字节。因此,这些设备极少需要外置闪存,除非它们需要具备更丰富的特性和触摸功能。

但是,应用广泛的电子货架标签通常需要一个外置RAM,因为,8KB - 32KB的板载RAM用于临时存储代码执行空间,以及存储用于形成在下次上传至服务器时所使用协议包的数据。板载RAM限制了设备中形成的数据包的大小。系统的大部分电能用于建立基站连接。一旦建立连接后,为了优化功耗,系统应能上传协议栈所允许的最大数据包,而且理想的情况是,不应受到系统中可用存储空间的限制。

与使用一个内置大容量RAM的控制器相比,使用一个外置RAM要简单和划算得多。由于大多数控制器的引脚数有限,存储器如果能够通过SPI接口交互就更好。此外,为了不严重影响系统总的功率预算,它们需要支持低功耗。下表对比了一个连接控制器和一个外置存储器的功耗。

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表1:连接控制器和外置存储器的功耗对比

本文和上文只探讨了少数几种可让购物体验变得智能的组件。我们还将撰写一篇文章,介绍另外一种智能购物体验组件。除此之外还有很多其它组件,如摄像头、传感器、信标、显示屏、泛数据分析等等。

欲了解详情,您可点击参阅智能购物应用中的存储器——第一部分

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作者:Reuben George

市场背景

当今,物联网(IoT)已对所有行业产生了影响,而且有望到2020年成为一个1.7万亿美元的市场。IoT领域建立在云计算以及由移动、虚拟和即时连接搭建的数据采集传感器网络的基础之上。行业专家认为,它将让我们生活中的一切变得更加“智能”。IoT已经渗透至各行各业:从工厂自动化到点播娱乐和可穿戴设备。但在大多数情况下,这个庞大的智能设备互联系统在改变我们的工作方式方面还未充分发挥其全部潜能。

IoT无疑是推动半导体行业和嵌入式系统发展的新动力。它的诞生推升了市场对众多新使能技术的需求,其中包括:

  • 新一代超低功耗IC

  • 全新的无线通信协议

  • 分析及云计算用高级数据处理技术

随着芯片朝着更小尺寸的工艺节点迈进,此前相对不引人注目而现在变得愈发显眼的一个半导体细分市场就是存储器。物联网及其艾字节数量级的数据流量正在推升市场对高性能、低功耗、超小封装的存储器的需求。IoT对半导体-尤其是存储器的-强加的另一个约束就是安全性和可靠性要求。大量隐私信息将被存储在可穿戴设备、服务器和其它物联网节点上。

过去十年来,存储器领域被分为两个截然不同的产品家族:即快速和低功耗存储器,每个都有其自身的特性、应用和定价。只要愿意牺牲功耗甚至尺寸,OEM就能找到高速度性能的存储器产品。对于需要低功耗的易失性和非易失性存储器而言,反之亦然。

但是,IoT 改变了市场对存储器的要求。现在的需求是高性能、低功耗器件。这些器件被要求能够使用便携式电源执行复杂的运算。它们还必需尽量缩减引脚数量和外形尺寸。通过内置深度关机、深度睡眠等低功耗模式,同时提供一代高于一代的性能(即时钟频率和特性集),微控制器已可以满足这些要求。为了与微控制器保持同步,存储器一定不能让设计人员担忧性能和功耗之间的取舍。

本文将聚焦于存储器在已受IoT影响的一个领域―零售购物领域中的发展趋势。在借助IoT给消费者带来便利方面,这个2万亿美元的市场蕴含着巨大潜力。零售是世界上竞争最为激烈的行业之一,数百万个零售商争夺一个成熟客户群,因此利润率很低。大型商场已经开始利用物联网吸引客户,为他们提供个性化购物体验。零售商正在整合商场中的所有设备、公司总部云端资源。最终目标是一个互联商场,它能够利用所采集的数据进行促销、打造客户忠诚度、管理库存和提升运营效率。

当今的消费者正在广泛使用互联网影响他们的购物决策:从研究产品到网上购物再到评论产品。在利用互联网进行购物方面,零售商已经落后于消费者。为了跟上消费者的步伐,零售商正在关联零售的物理和在线层面,从而让每一次互动都有回报,以便让他们的商场变得更加“智能”。

智能POS终端

IoT已给零售领域带来的一个显著影响就是智能销售点(POS)终端。POS终端在某种意义上就是零售商使用IoT的中心节点。很多领先的“智能”商场利用POS数据了解客户的购物趋势,实时追踪库存,并帮助在线购物者准确确定产品的本地存货情况。它们还能帮助零售商根据客户购买特定物品的频率为他们提供定制建议。

为了追踪购物者的购物统计数据,智能POS终端需要连接扫描仪。这意味着智能POS终端必须处理数倍于传统POS终端所处理的数据。很多最新型号的智能POS终端采用了主频达到Ghz级别的最新的ARM处理器。与此同时,这些终端大多是由电池供电的便携式设备,换句话说,这些系统需要尽可能地少用电。此外,由于所传输的数据是高度个人化的数据,因此要求最高级别的数据完整性,即需要使用比传统终端更为严格的加密标准。最后,还要采用所有POS终端都采用的标准的故障安全技术(如lockout模式)。

POS终端采用多种类型的存储器:用于非易失性数据存储的闪存,用于高速缓存的DRAM,以及用于微控制器存储扩展和电池备份配置数据日志的SRAM。有时甚至会使用一个外置的MMC。图1显示了一个典型POS终端设计的框图,为了满足智能POS终端的要求,存储器应提供最高的可靠性和足够的带宽。不仅如此,为了满足便携要求,存储器还必须具备低功耗、小尺寸的特点。

过去,存储器的发展一直试图结合快速的存取速度、低功耗和小尺寸特性。但是,随着Octi-SPI、HyperBus™等新一代低引脚数接口的问世,现在出现了能够媲美甚至超过快速存取式存储器的带宽,同时匹敌低功耗存储器的功耗,并使用最低数量的微控制器引脚的存储器。从微控制器传承到SRAM等存储器的另一项创新技术就是引入了深度睡眠模式。例如,赛普拉斯的PowerSnooze™ SRAM就是一种深度睡眠能效媲美Micropower SRAM的Fast SRAM。

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图1. 这是现代POS终端的框图。所使用的存储器包括闪存、SRAM、DRAM和SD/MMC插槽。

让我们比较一下两种常用SRAM-Fast和Micropower,以及具备深度睡眠模式的Fast SRAM的功耗和存取时间。

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通过结合快速存取和深度睡眠特性,这些存储器能够媲美SRAM的速度和低功耗SRAM的能效。在SRAM在大多数时间处于待机状态的应用中,这种结合的优势更加显著。

在使用SRAM记录配置数据的一个典型POS终端中,SRAM的运行时间只占总工作时间的20%。如果这个SRAM是工作电压为3.3V的Fast SRAM,它工作时将消耗120瓦时(WH)的电能,待机时将消耗80 WH的电能,总能耗为200 WH。如果是一个具备深度睡眠模式的Fast SRAM,工作时仍消耗120 WH的电能,但待机时能耗降至0.06 WH,因此总能耗约为121 WH。在这个具体的例子中,深度睡眠选项将能耗降低了40%。

对于一颗240mAH的板载纽扣电池而言,一个处于待机状态的16Mb Fast SRAM将能让电池续航超过12小时,而一个处于待机状态的低功耗SRAM将能让电池续航超过3年,但后者的局限是存储速度较慢。此时,一个具备深度睡眠模式的Fast SRAM与低功耗SRAM相比优势显著,其带宽是后者的4倍多(即10ns存取时间vs. 45ns存取时间),而且没有功耗代价。尽管如此,无论是MCU或SRAM,使用深度睡眠模式时应考虑一个因素:进入和退出深度睡眠模式的时间。如果两个工作周期之间的时间间隔与SRAM进入或退出深度睡眠模式所用时间相比太短,那么这种方法将会无用。例如,对于赛普拉斯出品的具备深度睡眠模式的Fast SRAM而言,这个时间间隔是300 µs(最大)。这可能是推广具备深度睡眠模式的Fast SRAM的最大障碍。

存储器领域的另一个有趣趋势是:随着闪存变得越来越快,对高速缓存的需求正在发生改变。很多需要RAM的微控制器工艺现在可以利用XIP(Execute In Place)在闪存上实现。这意味着RAM越来越多被用于扩展内存或电池系统备份。与此同时,已被运用于这两种应用的SRAM正在增加容量选择。换句话说,传统上首选的DRAM正变得越来越不重要,因为就像容量更大、速度更快、功耗更低的闪存可以满足大型存储的需求那样,容量更高、功耗更低、尺寸更小的SRAM也可以满足小型存储的需求。

其他组件

用于构筑智能购物体验的还有很多其它组件:各种类型的传感器、电子货架标签及信标、存储设备以及用于处理所采集数据的数据处理终端。在一篇文章中探讨所有这些设备的应用和内存需求难度很大。我计划在近期探讨这些设备的内存需求。但是,基本的要求不变,即低功耗、高速、小尺寸和高可靠性。

您可以阅读Power Saving SRAM,进一步了解具备深度睡眠模式的SRAM。或访问Programmer's Guide to HyperFlash Memories,获取更多兼容HyperFlash 内存的设计系统的相关信息。

公司信息:Cypress

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在经历了2013年与2014年连续两年20%以上增长的好年景以后,2015年全球存储器市场陷入困境。无论是供应商合并、产能控制还是新型应用频出等过去认为是利好的事情,都没有拯救2015年的存储器市场。个人电脑市场的低迷导致存储器库存过多,从而在2015年下半年出现了价格暴跌,2015年存储器销售额最终为780亿美元,同比下降了3%。

  这种颓势延续到了2016年上半年,但从2016年下半年开始情况发生了变化,存储器价格开始变得异常坚挺,而且持续到了2016结束。但由于上半年跌价太狠,IC Insights估算2016全球存储器市场同比下降1%。

  IC Insights预计2017年存储器价格还将上涨,从而推动全球存储器市场规模达到创纪录的853亿美元,同比增长10%。该机构同时认为,今后几年存储器市场都将非常健康,在2020年之前每年都能保证增长,并于2020年达到1000亿美元的规模。2021年可能接近1100亿美元左右。

  IC Insights认为,从2016年到2021年年平均增长率可达7.3%,比集成电路整体市场年复合增长率高2.4个百分点,存储器模组的年复合增长率为5.6%,价格上涨成为存储器市场表现好的极大因素。不过IC Insights预计,从现在到2021年,每年存储器价格都将上涨,平均价格每年上涨1.8%。

  DRAM是2013与2014年存储器市场增长的主力军,但2015年DRAM销售额下降3%,2016年下跌10%,这导致全球存储器市场连续两年下跌。预计2017年DRAM价格将大幅上涨,从而带动DRAM市场增长11%。NAND闪存在2016年还是实现了增长,2017年将再增长10%。

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