闪存如何演进以符合工业4.0的设计需求

第四次工业革命 (也就是所谓的工业4.0) 是指大规模的将工业设备与作业生产流程作智能化整合。对于所有重要的电子器件和机器设备而言，都在工业4.0的范畴之内。

非挥发性内存也不例外，在工业4.0的发产趋势之下，非挥发性内存也面临5项重要的考验来满足设计的需求:

• 成本
• 芯片大小
• 速度
• 功耗
• 安全性

虽然有其它不同新兴的非挥发内存技术仍然正在发展，现今发展已久的闪存技术已被证实为最适合面临这些挑战。这篇文章将说明目前闪存的创新技术如何帮助系统研发人员利用新的设计已符合工业4.0的应用。

工业4.0的需求

全球著名的商业管理顾问公司麦肯锡对于工业4.0的定义 是对于工业制造的数字化, 并由以下4个项目驱动:

1. 巨量数据的产生与搜集，处理器运算与连接能力，特别是在低功耗的广域网(LPWAN) 应用。
2. 分析与商业智能 (Business Intelligence，简称：BI) 的能力提升。
3. 新形态的人机接口出现，像是触控与扩增实境 (AR)。
4. 数字指令转换到现实世界的进步，例如机器人学和3D打印。

工业4.0的设备由于不断电的持续操作与具备连网能力，具备有产生巨量数据与利用大数据的特点，低功耗广域网 (LPWAN) 普遍应用在工厂、仓库等工业园区，整个供应链将能够实时的使用软件来分析储存在云端的巨量数据如产品、库存、资产等状况。

大量的传感器布署将会是支撑此数字化爆炸性成长的动能，例如可透过无线通信传输来存取的RFID智能标记。 这些传感器装置通常由电池供电或是藉由能量采集 (energy harvesting) 的方式来提供操作电源，因此会需要有极低功耗的闪存来储存历史数据纪录。

新的控制技术要应用在工业设备又会是完全不同的挑战，现今在公共道路测试的无人车驾驶技术，也应用在工厂和仓库中，以达到增加效率及免除人为驾驶操作的危险性。工业用的无人驾驶车已经布署在不同应用像是堆高机和电动运输车。(如下图1)

Fig. 1: the autonomous Linde R-MATIC reach truck transports palletized goods of up to 1.6 tons fully automatically to high-bay racks. (Image credit: Linde)

最广为人知应用在消费性产品的技术如虚拟现实 (VR) 和扩增实境 (AR) ，同样地也为工业应用提供潜在的应用价值，像是提供操作上的协助应用在人工生产线、设备保养和维修等。

这些高度精密的应用将必须仰赖相对容量较大的软件程序编码来执行，远超过于现今一般的工业应用。 这也将为那些工业系统开发人员带来设计上的压力，面临如何去选择更高容量的储存内存而可以不相对的增加料件成本和组件本身的尺寸。

最后，对于所有工业4.0设备的共通特点就是网络连接性。然而网络的连接本身就存在着被骇的风险问题。具有安全性功能的闪存就像是提供硬件保护屏障，让工业设备所链接的网络能保障此设备本身操作的安全性而不被窜改。

闪存的技术演进在工业4.0世代

近几年新兴的非挥发性内存技术不断的宣称部分特性能超越现有普遍使用的闪存。然而在现今普遍使用的闪存具有以下的优点:

• 工程人员开发熟悉性
• 技术可靠度已在各种不同应用产品被大量验证
• 具有多种产品选择性可符合不同应用的需求
• 由世界各内存领导厂商(例如.华邦电)持续投入研发制程与新功能研发

如今各家闪存的制造商也加快脚步来快速反应工业4.0的设备和系统对新的内存需求, 包含成本， 芯片大小， 效能，功耗与安全性。

在封装方面的创新

半导体产业一般透过制程演进达到降低芯片的大小和成本。使用在工业4.0设备的高阶微处理器就像是中央处理单元。为了效能和改善成本，许多知名的微处理器厂商都在寻找制程演进从55奈米或40奈米转换到28奈米，或是更先进的制程。然而在先进制程中，使用嵌入式NOR闪存是一件非常昂贵的事情，且要把NOR闪存微缩到4x奈米以下已经证实是会有诸多问题待解决。华邦已经和许多微处理器的厂商透过堆栈芯片的方式来解决这个问题，将28奈米的微处理器与58奈米的NOR闪存封装在一起。对高阶的工业设计这样的结合提供优化了IC脚位数目，效能与搭配性高的闪存容量。

功耗方面的创新

为了实时提供监测数据，智能无线卷标与货牌被大量的使用在工业应用，像是在运送路途中不断的纪录这些容易腐坏的食物与药物的温度跟湿度。这些无线装置必需要能够长时间储存数据透过容量有限的电池或是能量捕获。

为了要能支持这些容量不高的电池和从能量捕获到的有限电量，外挂式的闪存正在开发使用低于一般1.8V电源的操作方式。像是华邦电子提供的 W25QxxND系列产品可操作在1.14V到1.6V的电源，提供仅8支脚位的封装 (如图2)，可支持一般标准/双/四脚位输出入的SPI串行接口达到最高52MB/s的传输率。

Fig. 2: the Winbond 8Mbit 25Q80NEXIG 1.2V Flash IC in a 2mm x 3mm USON8 package. (Image credit: Winbond)

效能上的创新

SPI接口的NOR和NAND闪存是闪存的核心，对于数据和程序代码的储存，提供小型封装、低脚位数的解决方案。但是传统的序列架构却限制了数据的传输速度，数据传输量相对慢于并列式的闪存。

华邦电正在开发创新的高效能序列SPI NAND闪存技术。单层SLC NAND为工业应用提供高可靠度的储存媒介。但是当在需要高数据传输率的应用时，研发人员会选择使用速度较快的NOR Flash，但是NOR Flash相对容量较小所以每单位储存成本会比NAND贵上许多。

现在华邦电已经推出1Gb的序列SPI NAND，W25N01JW，提供相当于SPI NOR最高到83MB/s的数据传输率。更令人惊讶的是，华邦电使用可支持8 I/O的设计架构，在两个序列SPI NAND Flash使用dual quad的SPI接口，来达到两倍的数据传输率166MB/s。(如图3)

相对于使用容量大于512Mbit的NOR flash，这样新的 SPI NAND架构可以提供高储存容量和低成本的解决方案，也足够应付对于数据传输量要求高的图形应用。W25N01JW正在开发适用在汽车上的认证，可使用在汽车的仪表板，工业用无人驾驶载具，AR和VR等应用。

Fig. 3: the dual quad architecture of the W25N01JW serial NAND Flash device. (Image credit: Winbond)

安全性的创新

恶意病毒与程序让大量连上网络的工业4.0装置暴露在危险中，让用户的隐私和数据备受威胁。现今有许多方法让研发人员去应对这些安全性的风险，透过硬件上的认证是一个较安全的方式，这能确保只有被授权的装置可以在网络上共享数据。

为了替关键的软件像是开机程序提供硬件认证保护，华邦电推出了W74M这一系列的安全性闪存解决方案。此原件具有标准的HMAC-SHA-256加密加速器和单向性计数器的算法所产生的一次性密钥。W74M可让系统设计开发人员在网络结点和云端上的装置导入多阶层的交互认证。

闪存演化满足工业4.0需求

在非挥发性内存储存开机程序与数据是工业设备的所需功能之一，工业4.0在数字化与快速数据分析需求的增长趋势下，非挥发性内存将必须满足更快速、高容量、低耗电、低成本这些需求。

如此篇文章所述，在工业4.0的时代的到来，持续开发中的序列SPI 闪存将维持在这领域应用的领导地位，并为研发人员带来创新的系统设计价值。

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