大规模物联网连接数量增加三倍，物联网设备系统设计应考虑哪些因素？
时间：2020-11-26
作者：华邦电子
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2020 年，大规模物联网技术 NB-IoT 和 Cat-M 继续在全球部署。到 2020 年底，大规模物联网应用的数量将达到约 1 亿。根据 Ericsson 预估，到 2025 年底，NB-IoT 和 Cat-M 将占所有蜂窝物联网连接的 52%。
为了在市场上获得更广泛采用，物联网应用必须满足各种设计考虑因素，例如低成本、低功耗和运算效率。尤其对于电池供电的设备（例如智能音箱和智能电表）而言，除了丰富的物联网功能和易于使用的人机接口，电池寿命也成为产品成功与否的关键，因此低功耗因素变得越来越重要。为了延长电池寿命，除了使用低功耗 MCU，还应考虑其他低功耗的周边组件。
图 1 移动设备系统架构图
许多移动设备采用图 1 中的相似架构，如平板电脑或智能手表等。Wi-Fi/BT 和移动网络模块负责通信。传感器（如触摸面板）专用于收集外部信息，并将信息转发给应用处理器。NOR/NAND 负责存储程序代码/数据，而 DRAM 则用于暂时性的处理。
目前，许多 MCU 供货商正在开发效能更高、功耗更低的新一代 MCU，以满足市场需求。但从整体系统设计的角度来看，与 MCU 搭配使用的 DRAM 也需要有新的选择，以提供比现有 SDRAM、低功耗 SDRAM 和 CRAM/PSRAM 更佳的优势。因为这些现有的 DRAM 标准定义过于陈旧，已无法跟上最新技术发展（详情请参照表1）。
表 1 DRAM 标准及其对应逻辑处理节点
支持 HyperBusTM 接口的 HyperRAMTM 是能满足市场需求的最新技术解决方案。HyperBusTM 技术由 Cypress 于 2014 年首次发布，并于 2015 年推出其首款 HyperRAMTM 产品。考虑到市场发展需要，华邦电子决定加入 HyperRAMTM 阵营，并推出 32Mb/64Mb/128Mb 容量的产品，进一步扩展其产品组合，以应对多样化的应用需求，使生态系统更趋完整。
HyperRAM 仅具备 13 个信号 IO 脚位，可大大简化 PCB 的布局设计。这也意味着，在设计最终产品时，设计人员能将 MCU 的更多脚位用于其他目的，或减少 MCU 使用脚位以提升成本效益。如图 2 所示，与类似的 DRAM（如低功耗 DRAM、SDRAM 和 CRAM/PSRAM）相比，HyperRAM只需最少的脚位数便能实现近似的处理量（333MB/s）。
图 2 IO 脚位比较
简化控制接口是 HyperRAM 的另一项技术特色，PSRAM 只有 9 个控制接口，而 LPSDRAM 有 18 个。控制接口越少，DRAM 控制器所需的复杂度就越低。详细区别可参阅图 3。
HyperRAM 系以 PSRAM 架构为基础，是能够自刷新（Self Refresh）的 RAM。而且，它可以自动恢复为待机模式。因此，系统内存更易于使用，固件和驱动程序的开发也会更简单。
图 3 LPSDR 和 HyperRAMTM 的控制接口比较
由于 HyperRAM 是近几年才开发的，因此它可以采用最新型的半导体制程节点和封装技术，使其封装尺寸比其他 DRAM 都要小。图 4 为 JEDEC、PSRAM 和 HyperRAMTM 的封装尺寸比较。
图 4 封装尺寸比较
功耗对于物联网设备至关重要，因为设备大多由电池供电。降低功耗不仅可以节省用电，还可以减少设备充电和更换的成本。以华邦的 64Mb HyperRAM 为例，其待机耗电量为 90uW（1.8V 下），而相同容量的 SDRAM 的耗电量则是 2000uW（3.3V 下）。
更重要的是，HyperRAM 在混合休眠模式下的耗电量仅 45uW（1.8V 下），与 SDRAM 在待机模式下的耗电量有明显差异（表 2）。另一方面，即使采用低功耗的 SDRAM，其耗电量和外形尺寸仍较 HyperRAM 更大。
表 2 耗电量比较
传统的 SDRAM 和 PSRAM 发展日臻成熟，难以对新兴的物联网应用进行优化。有鉴于汽车和工业应用的长期供应需求，华邦 HyperRAM 的先进制程节点可以满足市场对长寿命产品生命周期的需求。
从整个系统设计和产品寿命来看，HyperRAM 已成为新兴物联网设备的理想选择。包括 NXP、Renesas、ST 和 TI 等领先的 MCU 公司已开始提供支持 HyperBusTM 接口的 MCU，未来其新产品亦将继续支持 HyperBus 接口。
同时，HyperBus 控制接口开发平台已准备就绪。Cadence 和 Synopsys 也已开始提供 HyperRAM 存储器验证 IP，可加快 IC 厂商的设计周期。因此，与其他 Octal RAM 相比，HyperRAM 具有最成熟的应用环境。HyperRAM 已被纳入 JEDEC 标准，并成为与 JEDEC x SPI 兼容的技术。
目前，华邦 HyperRAM 产品系列的 32Mb、64Mb 和 128Mb 已进入量产，同时已开始提供 24BGA（汽车级）、49BGA、WLCSP 和 KGD 的产品。24BGA 的尺寸为 6x8 mm2，而 49BGA 的尺寸仅为 4x4 mm2，主要针对消费型可穿戴式设备市场。
责编：Luffy Liu
