NOR闪存如何帮助克服可(kě)穿戴设备的设计挑战

2022-07-14

NOR闪存如何帮助克服可(kě)穿戴设备的设计挑战

尽管可(kě)穿戴和可(kě)听技术似乎是上一代手持设备的延伸，但提高其价值、用(yòng)户體(tǐ)验和功能(néng)所需的创新(xīn)功能(néng)增加了相当大的复杂性。例如，必须在严格的外形尺寸和功率限制内為(wèi)智能(néng)手表添加时尚的特性和功能(néng)。

因此，当我们看到更小(xiǎo)的设备（例如助听器和耳塞）时，需要满足更严格的限制，特别是产品重量。為(wèi)了在下一代设备中对这些产品功能(néng)进行易于实施的修订和持续改进，可(kě)穿戴设备和可(kě)听设备依赖于内存。内存是启用(yòng)这些先进设备的关键设计因素。

提供卓越用(yòng)户體(tǐ)验所需的功能(néng)

向系统添加创新(xīn)功能(néng)可(kě)以显着增加代码大小(xiǎo)。例如，生命體(tǐ)征监测需要更多(duō)的数据内存来实现额外的设计方面，例如安全性、无線(xiàn)(OTA)更新(xīn)、数据记录和人工智能(néng)(AI)。

接下来，安全对于每一个连接的设备来说都变得越来越重要，并且需要持续更新(xīn)。对于智能(néng)手表等无線(xiàn)设备，这些更新(xīn)更经常使用(yòng)OTA机制实现，这需要足够的内存来维护和验证第二个代码映像，然后再将控制权转移到新(xīn)代码。

许多(duō)设备也开始实施数据记录。记录用(yòng)户體(tǐ)验和数据的影响才刚刚开始被探索，并将启用(yòng)一系列全新(xīn)的定制功能(néng)。当前跟踪用(yòng)户的设备（例如健康监视器）将使用(yòng)更多(duō)传感器，从而捕获更多(duō)数据。

对于这些设备的下一代，边缘人工智能(néng)将成為(wèi)一种颠覆性趋势，从而导致对内存大小(xiǎo)的要求增加。这些边缘设备使用(yòng)先进的AI系统运行机器學(xué)习(ML)算法，以在设备上本地处理(lǐ)数据，以实现语音识别、面部识别、指纹检测和健康监测等功能(néng)。由于成本更低、尺寸小(xiǎo)和能(néng)效高，这些设备依靠微控制器(MCU)来运行复杂的ML算法。MCU部署用(yòng)于并行处理(lǐ)的专用(yòng)内核，使 ML 模型能(néng)够在设备本身上运行和优化。

记忆在产品差异化中的作用(yòng)

所有(yǒu)这些新(xīn)功能(néng)都推动了对更多(duō)非易失性存储器的需求，这意味着即使断電(diàn)也能(néng)够保留存储数据的存储器。由于许多(duō)可(kě)穿戴设备和耳戴式设备都是由電(diàn)池供電(diàn)的，因此NOR闪存通常是首选内存，因為(wèi)它具有(yǒu)快速读取访问、耐用(yòng)性和可(kě)靠性。

事实上，智能(néng)手表、无線(xiàn)耳塞和其他(tā)穿戴式设备的NOR闪存市场预计将从2019年的9000万美元增長(cháng)到2024年的超过2.65亿美元。这种增長(cháng)是由汽車(chē)、医疗和工业等领域的互联设备对内存的需求增加推动的。同时，预计密度要求也会增加，可(kě)穿戴设备将从较低密度的64 Mb存储器转移到中等密度的256 Mb存储器。

物(wù)理(lǐ)尺寸可(kě)以说是这些存储器最关键的方面，因為(wèi)裸片尺寸直接决定了成本、最终设备尺寸以及最终产品的外形尺寸。可(kě)听设备和可(kě)穿戴设备的独特要求之一是存储设备的高度或轮廓很(hěn)重要。因此，内存芯片的深度也必须优化，并且在某些应用(yòng)中，如可(kě)听设备，重量也是至关重要的。

由于这些原因，内存制造商(shāng)不断开发创新(xīn)技术和新(xīn)架构，以改善芯片尺寸和功耗。以SEMPER NOR闪存系列為(wèi)例，它利用(yòng)专有(yǒu)的MIRRORBIT技术在每个单元中存储两个数据位，从而使器件内存部分(fēn)的密度增加一倍。差异很(hěn)大，因為(wèi)它可(kě)以在更小(xiǎo)的空间内实现更高密度的内存。典型的256 Mb NOR闪存的裸片尺寸约為(wèi)18 mm 2。使用(yòng)MIRRORBIT技术，256 Mb可(kě)以安装在13.6 mm 2芯片上。

内存还需要作為(wèi)芯片提供给制造商(shāng)。请注意，可(kě)穿戴设备的标准方法是使用(yòng)定制封装，例如带有(yǒu)球栅阵列(BGA)连接的晶圆级芯片级封装(WLCSP)。简而言之，制造商(shāng)使用(yòng)他(tā)们的封装将多(duō)个处理(lǐ)器（例如 CPU 和 DSP）与他(tā)们选择的内存芯片集成在一个封装中，称為(wèi)系统级封装(SiP)，如图 1所示。这反过来又(yòu)导致需要更高密度的存储设备，因為(wèi)它们现在需要存储两个处理(lǐ)器的应用(yòng)程序代码和数据。為(wèi)了启用(yòng)这些SiP设备，SEMPER Nano以已知良好晶圆 (KGW) 格式提供，OEM 可(kě)以将其与其选择的处理(lǐ)器集成。

图 1传统的可(kě)穿戴设备和可(kě)穿戴设备需要外部NOR闪存来存储代码、数据和数据日志(zhì)（左）。占用(yòng)空间极小(xiǎo)的应用(yòng)，例如具有(yǒu)真正无線(xiàn)立體(tǐ)声 (TWS) 功能(néng)的无線(xiàn)耳塞，采用(yòng)高密度堆叠芯片架构，该架构将MCU和DSP与内存结合在一个芯片级封装中（右图）。

优化以降低损失

传统上，存储设备是為(wèi)广泛应用(yòng)而设计的商(shāng)品。然而，可(kě)听设备和可(kě)穿戴设备市场的严格限制要求使用(yòng)针对尺寸、功率和可(kě)靠性进行明确优化的内存。

有(yǒu)几种方法可(kě)以优化NOR闪存以最小(xiǎo)化功耗。传统上，低功耗是通过降低待机電(diàn)流和有(yǒu)效读取電(diàn)流来实现的。深度掉電(diàn)模式可(kě)以显着延長(cháng)電(diàn)池工作寿命，进一步提高電(diàn)源效率。从这个角度来看，SEMPER Nano NOR flash 的典型待机電(diàn)流為(wèi)5.0 A，比 SEMPER NOR flash 低 54%，典型的深度掉電(diàn)模式下降到1 µA，比SEMPER NOR flash 低 23% (图 2）。

图 2 SEMPER Nano NOR闪存与SEMPER NOR闪存的功耗比较。

降低功耗的关键是最大限度地减少内存从活动模式转换到待机模式所需的时间。為(wèi)了最大限度地节省電(diàn)力，内存需要能(néng)够立即进入待机模式以避免不必要的電(diàn)力浪费（图 3）。

图 3 SEMPER Nano NOR闪存集成了一个处理(lǐ)器，用(yòng)于从应用(yòng)CPU中卸载電(diàn)源和可(kě)靠性处理(lǐ)。

快速读取访问对于“即时启动”等功能(néng)至关重要。没有(yǒu)人愿意等待他(tā)们的耳塞启动。在这里，NOR闪存建立在内部并行阵列接口上，以实现快速读取时间，从而可(kě)以更快地启动更大的程序。

NOR falsh的快速访问和低功耗使得直接从闪存运行代码成為(wèi)可(kě)能(néng)，这被称為(wèi)就地执行 (XiP)，进一步缩短了设备开启的时间。这种统一的内存方法将代码、数据和日志(zhì)组合在一个内存芯片中。它通过消除用(yòng)于代码和数据存储的RAM显着减少了整體(tǐ)物(wù)理(lǐ)内存占用(yòng)。它还提高了整體(tǐ)可(kě)靠性，降低了功耗，并实现了更小(xiǎo)的外形尺寸和简化的设计。

更好的内存等于更好的可(kě)穿戴设备

在可(kě)穿戴设备和可(kě)听设备市场取得成功和盈利的关键是通过先进的健身和医疗监测等创新(xīn)功能(néng)来區(qū)分(fēn)产品，以提供卓越的用(yòng)户體(tǐ)验。这些特性增加了对针对尺寸、低功耗和可(kě)靠性进行优化的更高密度NOR闪存的需求。NOR闪存的集成可(kě)靠性功能(néng)——能(néng)够将代码、数据和日志(zhì)存储在单个统一存储器中——简化并加速了设计，同时使开发人员能(néng)够满足这些应用(yòng)程序的严格设计限制。