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NOR Flash克服可穿戴设备设计挑战

2023-02-16 17:30:38 Linus Wong和Wilson Yen,英飞凌科技 阅读:
为了持续改进下一代设备中的各种功能,可穿戴设备和耳戴式设备依赖于内存。内存是实现高级设备的关键设计因素...

尽管可穿戴技术和耳戴式技术看起来像是上一代手持设备的延伸,但提高其价值、用户体验和功能所需的创新特性却显著增加了复杂度。例如在严苛的外形尺寸和功率限制内为智能手表添加时尚的特性和功能。Mpsednc

因此,当我们考虑更小的设备(例如助听器和耳塞)时,必须满足更严格的限制,特别是产品重量。为了在下一代设备中对这些产品功能进行易于实施的修订和持续改进,可穿戴设备和耳戴式设备就依赖于内存。内存是实现这些高级设备的关键设计因素。Mpsednc

提供卓越用户体验所需的功能

为系统添加创新功能可能会显著增加程序代码大小。例如,生命体征监测需要更多的数据存储器来实现额外的设计,例如安全、无线OTA更新、数据记录和人工智能(AI)。Mpsednc

接下来,安全性对每个连网设备来说变得越来越重要,而且需要持续更新。对于智能手表等无线设备,这些更新通常使用OTA机制实现,这需要足够的内存来维护和验证安全程序代码图像,然后再将控制权转移到新的程序代码。Mpsednc

许多设备也在开始实现数据记录。记录用户体验的影响,数据才刚刚开始被探索,并将实现全新范围的定制功能。当前追踪用户的设备(例如健康监测器)将采用更多传感器,从而捕获更多资料。Mpsednc

对于这些设备的下一代,边缘AI (Edge AI)将成为一种颠覆性趋势,这也导致了对内存大小的要求增加。这些边缘设备使用先进的AI系统来执行机器学习(ML)算法,以在设备上本地处理数据,进而实现语音识别、面部识别、指纹检测和健康监测等功能。由于成本低、尺寸小和能效高,这些设备依靠微控制器(MCU)来执行复杂的ML算法。MCU部署了专用核心进行并行处理,从而使ML模型能够在设备本身运行和优化。Mpsednc

内存在产品差异化中的作用

所有这些新功能都推动了对更多非易失性存储器的需求,这意味着内存即使在断电时也能保留存储数据。由于许多可穿戴设备和耳戴式设备都是电池供电的,鉴于NOR闪存(Flash)具有快速读取访问、耐用性和可靠性,因此其通常是首选内存。Mpsednc

事实上,用于智能手表、无线耳塞和其他可穿戴设备的NOR Flash市场,预计将从2019年的9000万美元增长到2024年的2.65亿美元以上(数据来源:Gartner、ABI和英飞凌内部估计)。这种增长是由汽车、医疗和工业等领域连接设备对内存的需求增加推动的。同时,预计密度需求也会增加,可穿戴设备将从较低密度的64Mb内存转移到中等密度的256Mb。Mpsednc

物理尺寸可以说是这些内存最重要的方面,因为芯片尺寸直接决定成本、最终组件占用空间以及终端产品的外形尺寸。耳戴式设备和可穿戴设备的独特要求之一是存储设备的高度或外形很重要。因此,内存芯片的深度也必须优化,在某些应用中,如耳戴式设备,重量也很关键。Mpsednc

出于这些原因,内存制造商不断开发创新技术和新架构,以改善裸片尺寸和功耗。以SEMPER NOR Flash系列为例,它利用专有的MIRRORBIT技术在每个单元中储存两个数据位,从而使组件内存部分的密度增加一倍。差异是巨大的,因为它可以在更小的空间内实现更高密度的内存。典型的256Mb NOR Flash的裸片尺寸约为18mm2。使用MIRRORBIT技术,256Mb可以容纳在13.6mm2的裸片上。Mpsednc

内存还需要作为裸片提供给制造商。值得注意的是,可穿戴设备的标准方法是使用定制封装,例如具有球栅阵列(BGA)连接的晶圆级芯片规模封装(WLCSP)。简而言之,制造商使用其封装将多个处理器(例如CPU和DSP)与其所选择的内存裸片整合在一个封装中,称为系统级封装(SiP),如图1所示。这又导致需要使用更高密度的内存组件,因为它们现在需要储存两个处理器的应用程序代码和数据。为了实现这些SiP组件,SEMPER Nano即以已知良好晶圆(KGW)格式提供,让OEM厂商可以将其与所选择的处理器集成起来。Mpsednc

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图1:传统的耳戴式设备和可穿戴设备需要用外部NOR Flash来存储程序代码、数据和数据日志(左)。占用空间极小的应用,例如具有真无线立体声(TWS)功能的无线耳塞,采用高密度堆叠芯片架构,将MCU和DSP与内存整合在一个芯片级封装中(右)。(图片来源:英飞凌科技)Mpsednc

为更低功耗实现优化

传统上,内存是为广泛应用而设计的商品。然而,耳戴式设备和可穿戴设备市场的严格限制,要求使用针对尺寸、功率和可靠性进行明确优化的内存。Mpsednc

有多种方法可以优化NOR Flash以最大限度地降低功耗。传统上,低功耗是通过降低待机电流和活动读取电流来实现的。深度掉电模式可以显著延长电池工作寿命,从而进一步提高电源效率。换句话说,SEMPER Nano NOR Flash的典型待机电流为5.0µA,比SEMPER NOR Flash低54%,典型的深度掉电模式下降到1µA,比SEMPER NOR Flash低23% (图2)。Mpsednc

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图2:SEMPER Nano NOR Flash功耗与SEMPER NOR Flash的比较。(图片来源:英飞凌科技)Mpsednc

降低功耗的关键是最大限度地缩短内存从活动模式转换到待机模式所需的时间。为了最大程度地节省电量,内存需要能够立即进入待机模式,以避免不必要地浪费电量(图3)。Mpsednc

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图3:SEMPER Nano NOR Flash集成了一个处理器,可以减轻应用CPU的功率和可靠性处理负担。(图片来源:英飞凌科技)Mpsednc

快速读取访问对于“即时启动”等功能至关重要。没有人愿意等待耳塞启动。在此,NOR Flash建立在内部并行阵列接口上,以实现快速读取时间,从而可以更快地启动更大的程序。Mpsednc

NOR Flash的快速访问和低功耗使得直接从 Flash执行程序代码成为可能,这被称为就地执行(XiP),这进一步减少了设备开启的时间。这种统一的内存方法将程序代码、数据和日志组合在一个内存芯片中。它通过消除用于程序代码和数据存储的RAM,显著地减少了总体物理内存占用量。它还提高了整体可靠性,降低了功耗,并实现了更小的外形尺寸和简化的设计。Mpsednc

更好的内存等于更好的可穿戴设备

在可穿戴设备和耳戴式设备市场取得成功和盈利的关键,是通过高级健身和医疗监控等创新功能使产品脱颖而出,以提供卓越的用户体验。这些特性增加了对针对尺寸、低功耗和可靠性进行优化的更高密度NOR Flash需求。NOR Flash所集成的可靠性功能——以及能够在单个统一内存中存储程序代码、数据和日志——简化并加速了设计,同时使开发人员能够满足这些应用的严格设计约束。Mpsednc

本文作者:Mpsednc

Linus Wong 是英飞凌科技产品管理总监Mpsednc

Wilson Yen 是英飞凌科技的资深应用经理Mpsednc

(原文刊登于EDN美国版,参考链接:How NOR flash helps overcome design challenges in wearables,由Susan Hong编译。)Mpsednc

责编:Ricardo
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