利用高效能内存来达到物联网的低成本要求

物联网在工业应用的愿景上，需要安装数十亿以上的设备连接到全球网络。正因如此，每个节点的平均成本必须要够小，否则单就经济架构来说，物联网是难以实现的。举个例子来说，大多数的电子供货商默认单一节点的物料清单 ( BOM ) 成本会限制在5 美元左右。

于是，这些设备的设计者都将会承受极大的成本压力。在家居或办公室，有些物联网节点会利用已经被广泛应用在消费性电子产品的Wi-Fi或Bluetooth ( 蓝牙 ) 无线联机，好处在于这些技术可以利用便宜的现成组件来实现。

然而，包括大部分在户外的工作方案，某些应用是无法使用 Wi-Fi或蓝牙无线功能连接上网，而是使用其他比Wi-Fi或蓝牙覆盖范围还要更广的射频技术来达成。

目前业界中，有多种技术可用在新兴的低功耗无线网络 ( LPWAN )。其中LoRaWAN、SIGFOX和 NB-IoT 是最被看好能够大规模采用的技术。这些技术目前要不就是没有现成且易于使用的芯片组，不然就是选择性远少于Wi-Fi或蓝牙主控芯片 ( SoC ) 。

于是负责IoT 节点联机至LPWAN的系统设计师就会面临严峻的成本考验。如果无线射频组件所需的费用比较高，那么整体物料清单 ( BOM ) 中所留给其余组件的预算将变得更紧缩。而在这些剩余的组件中，内存芯片是价格最高的。因此如何找寻合适并且能有最大成本效益的内存芯片，变成一个重要的课题。

本文除了针对LPWAN射频IoT末端节点的设计人员，提供了内存架构设计的选项，并且根据系统效能需求、内存容量与系统大小，介绍各种外挂式闪存解决方案的优点。

传统应用需求

内部和外部组态的内存容量必须根据系统的功能需求和所支持的应用程序而有所区别。LPWAN的应用范畴非常广泛，其可能的装置类型范例包括:

•内建环境传感器的智能型路灯

•便携式信号设备，例如便携式临时交通信号灯或建筑工事警示设备

•农用机械，甚或是饲养在农场里的动物

在这些范例中，系统芯片或微控制器将执行应用程序代码并执行系统管理功能。 其相应所需的内存用途有 : 储存程序代码、储存组态数据与储存用户数据。

图一 : 一个LPWAN SoC搭配Winbond 1.8V串行式内存组件

典型将重点放在高性能且不受限于物料列表( BOM )预算的系统所需的相关内存有 :

•搭配SoC的高速 DRAM内存

•嵌入于SoC系统单芯片中的闪存

•外部的非挥发性内存IC。根据组态数据和用户数据的储存容量需求，选用NOR Flash或NAND Flash。

考虑到成本优化，物联网 (IoT) 系统设计者在寻求不同的架构选项中，对于最新一代的外挂式内存组件展现了高度的兴趣。图一说明了这种架构 : 一个LPWAN SoC搭配Winbond 1.8V串行式内存组件。

更高速度的串行式闪存

受益于串行式闪存的泛用性，关注成本的IoT 节点设计人员可利用其极高的数据传输率来实现不同于传统模型的架构。高速串行式闪存能使IoT节点拥有高速存取的能力，在几乎所有情况下，可省去DRAM内存并使用低成本、仅内嵌小容量闪存的主控芯片(SoC)。这种以闪存为基础的架构在减少组件数量、大小和物料清单( BOM )成本的同时，仍可保持系统应用程序所需的效能。

串行式闪存足能提供高数据传输速率来取代DRAM，从表面上看来相当令人吃惊。毕竟串行式闪存主要的优点是能透过较低的引脚数来提供可靠的非挥发性储存能力 - 但低引脚数在理论上也意味着低带宽。相对的，并列式闪存拥有大量通道来进行平行储存，提供了超高带宽和数据传输速率。但要达成到这一点，并列式闪存需要很多引脚，因此使用并列式闪存的系统会造成较大且复杂的电路板。

经过了一段时间的开发演进，串行式闪存制造商已能同时保持小型封装与低引脚数并提高数据传输率。目前采用QSPI或 QPI技术的串行式闪存在133 MHz的工作频率下最大可达到每秒66 MB的数据传输率。这足以实现”现地执行”(XiP)的功能，即处理器的应用源代码可从外挂的闪存直接执行，不需将程序代码复制到 DRAM，如此可完全省去DRAM的使用。有QSPI或QPI功能的快速串行式闪存对于经常执行的功能也能利用pseudo-cache来提升效能。

根据使用情境，串行式闪存可切分成不同的区块。系统韧体可存放在程序代码区，用户数据和组态设定可存放在数据区。

这是因为数据区的信息会被持续的抹除并写入新的数据，此区段必须要能支持多次写入 / 擦除的循环。在两种类型的串行式闪存 - NOR 闪存和 NAND 闪存中，NOR 闪存在本质上使用的是较为强壮可靠的结构，无须错误修正码 ( ECC )即能可靠地运作。Winbond所有串行式NOR 闪存皆可达到至少 10 万次写入 / 擦除的循环。

图二 : 串行式NOR闪存和NAND闪存可被合封在同一封装内

对于内存容量小于512 Mbps 的应用，通常最符合成本效益的选项是串行式NOR闪存。对于内存容量等于或大于512 Mbps的应用，通常会选用较便宜的串行式 NAND 闪存。所有的 NAND 快闪记忆皆需要一个控制器来管理其运作，包括侦测和修正错误、坏块管理、和重新寻址。

Winbond提供512 Mb、1 Gb和2 Gb容量的串行式 NAND 闪存，因内建内部的错误修正和坏块管理功能，可降低外部控制器的工作数。Winbon串行式NAND闪存每 528 Byte的内存提供了1 位的错误修正码。Winbond串行式NAND闪存额定最少可达到10 万次编程 / 擦除循环。

Winbond串行式NAND闪存内建坏块管理，会自动根据内建的查找表将错误的区块重新映射到好的区块。此查找表 ( LUT ) 最多可支持到20个链结，并且重新映像的功能能支持跨页和完整的内存地址的读取操作。相比之下，其他供货商的产品受限于有限的页面存取，只能提供缓慢的传输效能。

第三种提供给IoT gateway设计者的选择是一种串行式堆栈封装内存( SpiStack )。即单一封装内含两个或两个以上的串行式NOR闪存晶粒、两个或两个以上的串行式NAND闪存晶粒、或亦是一颗串行式NOR闪存晶粒与一颗串行式NAND闪存晶粒。其中一种典型的组合是将用来存放程序代码的NOR 闪存晶粒与用来存放数据的串行式NAND闪存晶粒合封于WSON8 – 8 mm x 6 mm的封装内。此解决方案的优点是灵活的内存容量组合，并同时维持低引脚数。其中所需操作的内存晶粒将藉由软件指令(“C2h”)来做选择，并不需要多一根引脚来做为切换讯号。

串行式NOR闪存、串行式NAND闪存、串行式堆栈封装内存( SpiStack )所支持的内存容量可完整支持LPWAN或是LoRaWAN连接的IoT节点需求。举例来说， 需求较低的端点通常用3V或1.8V 16 Mb以下的串行式NOR闪存；笔记本电脑连接的IoT节点通常使用1.8V，需较高密度的串行式NOR闪存，容量范围在32Mb到128Mb；而有些应用可能需要使用1 Gb或更大的数据容量，就需要串行式NAND闪存或串行式堆栈封装内存( SpiStack )。

用于LPWAN的IoT节点通常为电池供电的移动装置，因此功耗是系统设计上首要关注的项目。各家标准的串行式闪存通常可支持3 V与1.8V，其中 1.8 版本在工作模式与待机模式中皆提供较低的功耗。

图三 : Winbond串行式NOR闪存读取电流比较表(制表 : Winbond。含1.2V超低功耗新产品)

一般1.5 V的设备具有较宽广的工作电压设计，从1.14V至1.6V，好处是使用电池供电的环境下可以更持久的操作。Winbond在2017年6月新推出了一款超低功耗 (请参阅图 3) 的串行式NOR闪存，此新型1.2V超低功耗产品的工作电压涵盖范围从1.14 V至1.3V，可延长从电池满电到电压慢慢下降期间的稳定使用。此新型1.2V串行式NOR闪存容量从1 Mb到128Mb，在104 MHz的工作模式下工作电流仅4.9mA，而在低电源模式下电流仅0.5µA。

以高速串行式闪存实现成本与空间的节约

总结来说，设计者可藉由高速QSPI或QPI串行式闪存实现XiP操作来省去使用DRAM组件，从而节省空间并降低组件的数量和成本。若要更进一步的节省空间，可使用串行式堆栈封装内存( SpiStack )。此外在电池供电的应用上可使用1.2V超低功耗串行式NOR闪存。

此最新一代的串行式闪存产品可帮助IoT 节点设计者在降低成本的条件下同时满足其性能要求，帮助设计者实现总系统成本低于5美元的目标。

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