Verbesserung der Leistung und Sicherheit von IoT-Wearables

Viele IoT-Anwendungen – darunter vernetzte Autos, Fabrikautomatisierung, Smart City, vernetzte Gesundheit und Wearables – erfordern nichtflüchtigen Speicher zum Speichern von Daten und Code. Traditionell haben eingebettete Anwendungen zu diesem Zweck externen Flash-Speicher verwendet.

Da die moderne Halbleitertechnologie jedoch bei der Umstellung auf kleinere Geometrien mit Herausforderungen in Bezug auf Skalierung und Kosten konfrontiert ist, wurde es immer schwieriger, Flash-Speicher in den Host-SoC einzubetten. Daher zielen zukünftige MCU- oder SoC-Designs auf System-in-Package (SiP) oder die Verwendung von externem Flash ab. Dieser Trend entspricht nicht den Anforderungen von IoT-Anwendungen wie Wearables aufgrund ihres kleinen Formfaktors, der strengen Kostenbeschränkungen und der Anforderungen an den geringen Stromverbrauch.

Um diese Probleme anzugehen, entwickeln Hersteller von Flash-Speichern Architekturen, die Größe und Stromverbrauch optimieren. Gleichzeitig führen sie wichtige neue Funktionen ein, die mehr Ausdauer, Zuverlässigkeit, Sicherheit und Sicherheit unterstützen.

Speichergröße

Wearables der älteren und gegenwärtigen Generation erfordern NOR-Flash-Lösungen mit niedriger Dichte zum Speichern von Code, aber sie benötigen höhere Dichten, da die Anwendungen komplexer werden und mehr Daten protokolliert werden müssen. Neue Zellarchitekturen ermöglichen eine größere Speicherkapazität. Die MirrorBit-Technologie kann beispielsweise zwei Bits pro Zelle speichern und unterstützt Produkte mit einer Dichte von bis zu 4 GB. Diese Erhöhung der Dichte ermöglicht eine um 20 bis 30 % kleinere Chipgröße im Vergleich zu den traditionellen Floating-Gate-NOR-Flash-Architekturen. Diese kleinere Chipgröße erhöht auch die Verpackungsflexibilität für externen Speicher. Eine kleinere Chipgröße ist eine geeignete Option für SiP-Lösungen oder einen externen nichtflüchtigen Speicher mit Wafer-Level-Chip-Scale-Packaging (WLCSP).

Um die Zugriffsgeschwindigkeit auf das größere Speicherarray zu unterstützen, ist eine Hochgeschwindigkeitsschnittstelle erforderlich. Der Semper NOR Flash von Cypress zum Beispiel verfügt über ein Quad-SPI-Protokoll mit 102 MB/s und ein xSPI-Protokoll mit 400 MB/s. Hochgeschwindigkeitsschnittstellen sind für leistungsstarke IoT-Anwendungen sowie für Anwendungen erforderlich, die Instant-ON-Fähigkeit und Execute-in-Place (XiP) von NOR-Flash erfordern.

Abbildung 1. Technologien wie MirrorBit werden von Speicherherstellern entwickelt, um die Speicherdichte zu verbessern. (Quelle:Cypress)

Neben einer größeren Speichergröße sind neue Architekturen auch flexibler. Code, Daten und Datenprotokollierung haben jeweils unterschiedliche Speicheranforderungen. Mit einer flexiblen Sektorarchitektur, die es Entwicklern ermöglicht, die Sektorgröße zu konfigurieren und ein kontinuierliches Adressierungsschema bereitzustellen, wird es möglich, den Speicher so zu segmentieren, dass er am besten zu dem dort gespeicherten Code oder den Daten passt.

Execute-in-Place (XiP)

Da IoT-Geräte immer mehr in eine größere Vielfalt von Anwendungen und Betriebsumgebungen expandieren, werden auch die Anforderungen an Sicherheit und Schutz strenger. Der Speicher, der Code speichert, muss dem System ermöglichen, vom Speicher zu booten, Sensordaten zu protokollieren und XiP-Funktionen auszuführen. Diese Funktionen sind mit einer herkömmlichen NOR-Flash-Architektur nicht einfach zu implementieren.

Betrachten Sie eine typische IoT-Anwendung mit einem Anwendungsprozessor, der über einen internen RAM verfügt, der mit einem externen NOR-Flash verbunden ist. Diese Anwendungen speichern häufig Anwendungscode und Daten im NOR-Flash-Speicher und laden beim Einschalten alles vom NOR-Flash in den internen RAM herunter. Dieser Anwendungsfall wird als „Store and Download“ (SnD) bezeichnet, der in Abbildung 2 dargestellt ist. Die interne RAM-Dichte der Anwendungsprozessoren begrenzt die Leistungsverbesserungen des IoT-Systems wie schnellere Over-the-Air-Updates, verbesserte Anzeigeleistung, erhöhte Vernetzung Durchsatz, verbesserte Audioleistung, Sensorfusion über SPI/UART und arithmetische Operationen. Solche Verbesserungen erfordern eine Stücklistenänderung aufgrund der begrenzten internen RAM-Dichte.

Abbildung 2. Anwendungsfall für Speichern und Herunterladen (SnD). (Quelle:Cypress)

Abbildung 3 zeigt, wie der Prozessor beim Einschalten Daten vom NOR-Flash kopieren und Code mit XiP direkt vom NOR-Flash ausführen kann. Bei diesem Ansatz steht dem Prozessor mehr interner RAM zur Anwendungsverbesserung zur Verfügung. Daher ermöglicht die Verwendung von XiP, das von NOR Flash aktiviert ist, die Verbesserung von IoT-Anwendungen ohne Leistungseinbußen.

Abbildung 3. Anwendungsfall Execute in Place (XiP). (Quelle:Cypress)

Normalerweise wird NOR-Flash nur für zufällige schnelle Lesezwecke verwendet, da es Probleme mit der Lebensdauer und der Zuverlässigkeit gibt. Alle Flash-Speicher unterliegen bei einer hohen Anzahl von Programmier-/Löschzyklen einer physischen Verschlechterung, die schließlich zu einem Geräteausfall führen kann. Einige IoT-Anwendungen erfordern eine hohe Lebensdauer und hohe Retention in Flash-Geräten; Eine geringere Datenspeicherung oder -dauer kann die Systemfunktionalität beeinträchtigen.

Speicherhersteller arbeiten an neuen Architekturen, die die Lebensdauer verbessern, sodass Anwendungen jetzt Datenprotokollierung mit NOR-Flash durchführen können. Beispielsweise optimiert die EnduraFlex-Architektur in Semper Flash von Cypress das Systemdesign, indem sie es ermöglicht, ein Flash-Gerät in mehrere Partitionen aufzuteilen. Jede Partition kann unabhängig für entweder hohe Lebensdauer oder lange Aufbewahrung konfiguriert werden. Für häufige Datenschreibvorgänge kann eine Partition so konfiguriert werden, dass sie bis zu 2,56 Millionen Programmier-/Löschzyklen liefert, im Vergleich zu 100.000 Zyklen in einem typischen NOR-Flash-Baustein. Ebenso kann die Datenspeicherung auf bis zu 25 Jahre verbessert werden.

Sicherheit

Code und sensible Benutzerdaten (z. B. bei einem medizinischen Wearable) müssen sowohl in Bezug auf Sicherheit (d. h. zuverlässiger Betrieb durch Verhinderung von Datenkorruption) als auch Sicherheit (d. h. Schutz von Daten vor Hackern) gesichert werden. Um dies zu erreichen, werden Speicher immer intelligenter und integrieren Prozessoren wie die eingebettete Arm Cortex-M0-CPU, um komplexe sicherheits- und sicherheitsbezogene eingebettete Algorithmen auf dem Chip zu verarbeiten (siehe Abbildung 4). Dies erhöht die Zuverlässigkeit und trägt gleichzeitig zur Verbesserung der Geräteleistung und -sicherheit bei.

Abbildung 4. Die heutigen NOR-Flash-Speicher für Wearables bieten eine größere Kapazität sowie viele Sicherheits- und Sicherheitsfunktionen. Hier gezeigt ist die Semper NOR Flash-Speicherarchitektur von Cypress. (Quelle:Cypress)

Mit einem integrierten Prozessor kann NOR Flash auch eine Vielzahl von Funktionen und Diagnosen unterstützen, die eine durchgängige Datenintegrität und einen umfassenden Schutz bieten. NOR Flash unterstützt traditionelle Advanced Sector Protection (ASP)-Schemata sowie eine 1 KB One-Time Programmable (OTP)-Region, aber diese Funktionen reichen für bestimmte IoT- oder Wearable-Anwendungen nicht aus. Advanced NOR Flash ermöglicht zusätzliche End-to-End-Sicherheitslösungen, einschließlich Cloud-to-Flash-Sicherheit, sichere Firmware-over-the-Air (FOTA)-Updates und sicheren Schreibschutz.

Die Energieeffizienz ist ein weiterer wichtiger Aspekt bei Wearables. Wearable Devices verbrauchen in der Regel die Wirkleistung von NOR-Blitzgeräten nur für sehr kurze Zeit. Zu allen anderen Zeiten bleibt das NOR-Blitzgerät im Standby- oder Deep-Power-Down-Modus. Außerdem werden die meisten tragbaren Geräte mit Batteriestrom betrieben. Dies erfordert ein NOR-Blitzgerät mit einem geringen Standby- und Deep-Power-Down-Strom. Heutige NOR-Flash-Speicher können einen niedrigen Standby-Strom in der Größenordnung von 6,5 µA und einen tiefen Power-Down-Strom in der Größenordnung von 1 µA unterstützen.

Obwohl tragbare Geräte dazu neigen, in Umgebungen mit Raumtemperatur zu arbeiten, müssen einige IoT-Anwendungen bei extremen Temperaturen zuverlässig ausgeführt werden können. Für diese Anwendungen stehen Industriespeicher zur Verfügung, die Umgebungstemperaturen von -55 °C bis +125 °C vertragen.

Schlussfolgerung

Tragbare Geräte sind ein wichtiger Bestandteil des zukünftigen Wachstums des IoT-Marktes mit Anforderungen, die von Formfaktor, Leistung und Kosten bis hin zu Sicherheit reichen. Mit Fortschritten in der NOR-Flash-Technologie wie einem integrierten Prozessor können diese Speicher eine höhere Dichte, geringeren Stromverbrauch, höhere Sicherheit und höhere Leistung in der