今年3月，3GPP对外正式宣布，已完成5G第三版标准Rel-17的功能性冻结，并将5G扩展至全新终端和应用。Rel-17让我们离万物互联的5G愿景又更近一步。5G在全球的迅速发展，使整个行业都在蓄势待发，加紧各种创新技术的研发。同时也为半导体行业提供了一个新的庞大市场机遇，其中，尺寸更小、密度更高的存储技术便是其中的重要一环。
近日，华邦电子正式对外发布其为物联网应用提供的HYPERRAM 系列的第三代产品HYPERRAM™ 3.0。新一代 HYPERRAM 配备了具有 22个引脚的扩展IO HyperBus 接口，在 1.8V 工作电压下的最高运行频率为200MHz，与 HYPERRAM 2.0 和 OCTAL xSPI RAM 相同，但数据传输速率提高至 800MBps，是以往产品的两倍。随着5G、人工智能等新兴领域的快速发展，对存储的需求呈现爆发式增长的同时，不断衍生的新型应用领域也对存储的性能有着更高要求。
物联网演进带来的存储技术变革
各式各样的物联网设备，在数据传输中都会有数据暂存的需求。物联网市场最早是设备到设备之间的互联，以及机器到机器的互联。所以它的数据量比较小，主要是各种机器语言，以及必要的资料、数据包。因此这个时期的主要信息都是来源于传感器，它具备感光、感电、感压或者是感温等各种功能，传递的信息相对比较简单，且信息间的传递不需要太大的频宽。
然而随着物联网发展，大量的图像、声音、data stream（数据流）加入之后，物联网不再单纯是机器之间互联，还有人机互联，所以它的数据也不再是单纯的机器类型，而是各式各样的数据流。现在的趋势是，不仅仅要求本地进行数据的存储，还要求有本地的算法，会进行一些基本的数据决策和计算，也就是现在说的很多的边缘计算。并且希望这个AI运算及时性能越来越高，即保证低延迟。然后再通过网络节点的相互串联来执行整个产品的运算，去做基本的信号优化处理，再回传决策所需要的特征值。与此同时，还要保证数据的绝对安全性和隐私性。
半导体存储器可分为掉电易失存储器（断电后丢失数据）和非掉电易失存储器（断电后保留数据），其中主流易失存储器搭载DRAM内存芯片，主流非易失存储器搭载NAND闪存芯片。存储按计算机架构区分，主要有cache（缓存）、main memory、mass memory的结构区分；按存储功能区分，有外部存储（external memory）和内部存储（internal on die memory）。外部存储具有较大的容量和速度；内部存储则是在MCU、NPU、FPGA、CPU上面配备的闪存或嵌入式SRAM。cache和embedded SRAM（嵌入式SRAM）的速度都是非常快的。CPU或者computing core（计算核心）可以直接通过on die memory的data buffer（数据缓冲区）来做存储。可是，on die memory的成本高昂，所以会搭配使用各种各样的外部存储。
上一代物联网应用的外存是传统的DRAM，包括low power SDRAM，SDRAM和Cellular RAM。当MCU芯片应用追求更高的速度时，需要更大容量的内存，可是很多应用会保留原来的运算功耗，相应地对DRAM的需求也有所调整，对于功耗、引脚数和成本，都有更苛刻的需求。华邦电子DRAM产品营销技术经理廖裕弘介绍，HyperRAM主要的目标市场是DRAM，定位是用来取代legacy DRAM在物联网的应用上。HyperRAM本身主要针对的市场是物联网的边缘设备，计算能力主要是落在MCU层级。
新兴的存储技术
物联网产品的功能越来越强大，为了运算更多的数据，比如AI的TinyML模型，IoT产品需要快速的运算能力和多核。然而传统的embedded SRAM（嵌入式SRAM）和embedded flash（嵌入式闪存）并不能满足这种需求，尤其是CPU和高端处理器的部分。当CPU计算越来越快的时候，如果cache或嵌入式SRAM跟不上，整个计算的速度就会被拖慢。
AIoT很多的信息在做计算时是需要暂存。当然最主要的运算还会在嵌入式SRAM里进行。可是在做运算的时候，不是一次性把所有的信息都放进去，例如小型的家用人脸识别，或者是智能门铃会把人脸图像记录下来之后，存在外部的mass memory，然后再分成小块，把里面的特征值提取出来，放到嵌入式SRAM里面，用TinyML模型去做运算。除此之外，有一些比较特别的应用，比如用户会希望可以使用实时的加解密技术，此时数据就会变大，就需要一个外存记忆体。
很多新型存储介质应需而生。目前主流的五种介质是相变存储器（FRAM）、记忆电阻存储器（RRAM）、铁电存储器（FRAM）、磁存储器（MRAM）、碳纳米管存储器（NRAM）。这些新型存储介质结合了DRAM内存的高速存取，以及NAND闪存在关闭电源之后保留数据的特性，可以打破内存和闪存的界限，使其合二为一，同时，新型存储介质功耗更低，寿命更长，速度更快，因此，被业界视为未来闪存和内存的替代品。台积电、三星等foundry厂商都在积极推进MRAM，推广最有成绩的是台积电，尤其是其28纳米的进展。台积电对MRAM的定义是做嵌入式闪存的延伸。
此外，目前很多MCU，甚至到processor、CPU，都需要搭配不同技术提供更大的内存，磁存储器（MRAM）和记忆电阻存储器（RRAM）主要就是为了满足这个需求，即用来加强高阶计算的。MRAM和RRAM主要是满足计算机里面的main memory（主存储）需求，用来连接cache。对于MCU来说，无论有没有外部存储器，嵌入式SRAM和cache都是必需的。对于最早的8位宽或者是32位宽的MCU来说，大部分都是靠MCU本身的cache和嵌入式SRAM进行运算。可是随着科技的进步，图像引擎、触摸屏幕、语音控制被广泛使用，目前内存基本上是不够用的。从整个定位来看，MRAM和RRAM可以看成是升级的嵌入式SRAM或是嵌入式Flash。速度快，不过容量还是很小。至于更大的数据，比如图形、音频，或者是一些固定且使用频率并不高的模型参数，就被存储在外部的mass memory中。
物联网设备需要具备机器对机器通信的功能，但要实现如语音控制或TinyML推理等更多功能，还需搭配更高性能的内存。廖裕弘分享说：“HyperRAM就是扮演mass memory这个角色的。”从另外一个角度讲，HyperRAM就是一个data buffer（数据缓冲），主要用于暂存图像或者是音频信息，这些信息通过UI、触控荧幕、语音控制来展示。除此之外，部分网络会需要buffer（缓冲）计算，包括协议之间的切换。
HyperRAM
HyperRAM 是一种高速、低引脚数、低功耗的pseudo-SRAM，适用于需要扩展内存以用于缓存或缓冲的高性能嵌入式系统。低引脚数架构使HYPERRAM更适用于电源和电路板空间受限且需要片外RAM的应用。与低功耗DRAM、SDRAM和CRAM/PSRAM相比，HYPERRAM大幅简化了PCB布局设计，延长了移动设备的电池寿命。此外HYPERRAM的处理器体积更小且具备更少的引脚数，同时数据传输速率也得到提高。
HMI use cases for HyperRAM™ (Source: Winbond)
终端设备想要做到无缝，或者无延迟地使用的话，需要配备大量的部件，或是大量的终端装置。比如像智能家居的使用场景，家里的智能音箱，会需要一个功能比较强的智能音箱。然后其他每个房间都需要一个小的智能音箱用来做语音的收集、语音的前端处理以及控制。人们通过这些小的智能音箱，对家里所有的产品做出控制指令，包含电视或其他白色家电。而功能比较强大的智能音箱可和云端对接，对所有的指令进行逻辑推论。换句话说，小的智能音箱是用来做家电开关，大型的智能音箱才跟云端连接，并进行逻辑推论和翻译。那么AIoT环境建设的重点之一就是这些小型的智能终端装置能不能完整地建构起来。
HYPERRAM系列是可穿戴设备等低功耗物联网应用的理想之选，同时也适用于汽车仪表盘、信息娱乐和远程通信系统、工业机器视觉、HMI显示器和通信模组等。廖裕弘表示，目前，HyperRAM主要着眼于入门级的内存市场，且以移动物联网应用为主，比如上一代的3G、2G网络。并且就通信网络来说，HyperRAM目前为止比较大的应用场景是基于Wi-Fi的。因为无线网络并不是要求每个产品都建构到5G或6G上面，像Wi-Fi和蓝牙的连接也可以实现无缝的效果，甚至Wi-Fi的效果更好。而且，就功能来说，如果只做一些基本的语音处理、图像处理，那并不需要很大的频宽。
廖裕弘补充说明到：“不过，HyperRAM会跟随着物联网的发展同步演进。随着4G物联网终端产品的出现，HyperRAM在诸如定位器、NB-IoT/CAT-M/CAT-1设备，以及各种Wi-Fi SOC的成长更快。2022年，华邦电子将HyperRAM的发展中心转移到可穿戴设备。”
为什么看好可穿戴设备
以前的穿戴产品可以分成两种，一类是智能手表，一类是智能手环。智能手表因为需要和手机对接，所以会使用更高阶更先进的MPU和处理器。它的外接存储基本会用到LPDDR4或EMCP，在某种程度上来说，智能手表更接近一个智能手机。而智能手环，虽然同样也使用比较高级的MCU，但是显示都采用比较简单的LED，不论是小米还是其他品牌的手环产品，都比较难看到非常炫的显示屏。
不过，未来，一些入门级产品也会有更多的发展规划。进入2022年，华邦电子就发现，很多产品逐渐再向智能手环和智能手表的中间化过渡。厂商们希望推出一些全新的智能手表，价格相对更加亲民，同时也不需要太过于炫的功能，因为大部分的功能还是会回传到手机进行计算。这也正是华邦电子看好的市场。这种新型的智能手表是强于以前的智能手环的高阶产品，虽然功能没有那么强，但在控制上，包括触摸、基本的语音控制都可以满足。
华邦HyperRAM
HYPERRAM™ 3.0 是 华邦HYPERRAM™ 系列的第三代产品，使用全新的 16 位扩展 HyperBus™ 接口，支持高达 800MBps 的数据传输速率。据了解，目前，256Mb HYPERRAM™ 3.0 已开始送样。除了在技术功能方面的优势之外面，在安全性方面，华邦HyperRAM也与众不同。
HyperRAM说到底它是DRAM，是pseudo SRAM，主要用来暂存MCU的数据，它所有的数据都是来自MCU或者SOC。DRAM常见的安全问题是row hammer的黑客攻击，它主要是针对DRAM的刷新频率去做高度攻击，也就是不断地针对某一个地址做存取、重写，那么与这个地址相近的数据就会被影响到，这种物理机制在越先进的制程越容易出现这种风险。而HyperRAM是pseudo SRAM的设计方式，刷新的部分属于pseudo SRAM的自刷新，外界包括客户端无法控制自刷新行为。因此，HyperRAM本身对于刷新频率、快速存取、多次存取的row hammer攻击，都有相当良好的抵抗力。此外，据介绍，华邦的HyperRAM产品，从25纳米开始全面导入row hammer攻击的对策电路，大幅提高对row hammer攻击的防御。
在成本优势上，华邦也表现不凡。廖裕弘补充说到：“近一两年有一些SOC厂商会推出一种解决方案，即把CPU跟DRAM做3D Stack，也就是3D封装。HyperRAM基本上不会采用这种形式。”首先，华邦是一家IDM公司。其次回到成本的部分，一般封装片的成本会跟两个因素相关，一个是产品尺寸，另一个是封装技术。HyperRAM的封装片相对小，封装成本相对低。封装技术上，华邦HyperRAM目前使用的是华邦38纳米和25纳米制程，跟以前legacy DRAM的65纳米，或其他竞争者使用的更旧的制程相比，华邦的成本更低。因此无论是产品还是封装，华邦的HyperRAM在成本上是比较有竞争力的。并且华邦HyperRAM采用的是24BGA，可以做到车规封装。在非车规方面，华邦也可以提供WLCSP封装。
HYPERRAM技术最早由英飞凌（当时的赛普拉斯）于 2015 年推出，华邦是第三家加入HyperRAM生态的存储厂商。HYPERRAM现已获得众多领先MCU、MPU 和 FPGA 伙伴厂商和客户的认可与支持，生态系统逐渐成熟。此外，已有多家公司推出了优化的HyperBus™内存控制IP。廖裕弘表示，虽然很难预估HyperRAM的市场规模到底有多大，不过以华邦电子目前HyperRAM每个月出货达到近千万片来看，尤其很多应用正在不断地产生，现在市场上的物联网设备量级已经达到了百亿，能确定的是，HyperRAM今年的规模会超过数亿颗。
