提高物联网可穿戴设备的性能和安全性的方法

许多物联网应用程序-包括互联汽车，工厂自动化，智慧城市，互联健康和可穿戴设备-都需要非易失性存储器来存储数据和代码。传统上，嵌入式应用程序为此目的使用了外部闪存。

但是，随着现代半导体技术向更小尺寸发展，在规模和成本方面面临挑战，将闪存嵌入主机SoC变得越来越困难。因此，未来的MCU或SoC设计的目标是系统级封装（SiP）或外部闪存的使用。由于其外形尺寸小，严格的成本约束以及低功耗相关要求，因此这种趋势无法满足可穿戴设备等物联网应用的需求。

为了解决这些问题，闪存制造商正在开发可优化尺寸和功耗的架构。同时，他们正在引入重要的新功能，以支持更大的耐用性，可靠性，安全性和安全性。

内存大小

传统和当前的可穿戴设备需要低密度的NOR闪存解决方案来存储代码，但是随着应用程序变得越来越复杂并且需要记录更多的数据，它们需要的密度也将越来越高。新的单元架构可实现更大的存储容量。例如，MirrorBit技术可以在每个单元中存储两位，并支持密度高达4 Gb的产品。与传统的浮栅NOR闪存架构相比，这种密度的增加使芯片尺寸减小了20％至30％。较小的裸片尺寸还增加了外部存储器的包装灵活性。对于SiP解决方案或具有晶圆级芯片规模封装（WLCSP）的外部非易失性存储器，较小的裸片尺寸是合适的选择。

为了支持对更大内存阵列的访问速度，需要一个高速接口。例如，赛普拉斯的Semper NOR闪存具有以102 MB / s的速度运行的Quad SPI协议和以400 MB / s的速度运行的xSPI协议。高速接口对于高性能物联网应用以及需要即时启动功能和NOR闪存中的就地执行（XiP）的应用都是必需的。

图1.内存制造商正在开发像MirrorBit这样的技术来提高内存密度。

除了更大的内存大小以外，新架构也更加灵活。代码，数据和数据记录分别具有不同的存储要求。利用允许开发人员配置扇区大小并提供连续寻址方案的灵活扇区架构，可以以与存储在其中的代码或数据最匹配的方式对内存进行分段。

直接执行（XiP）

随着物联网设备不断扩展到更多种类的应用程序和操作环境中，对安全性的要求也越来越严格。存储代码的内存需要允许系统从内存启动，记录传感器数据并执行XiP功能。使用传统的NOR闪存架构不容易实现这些功能。

考虑具有应用处理器的典型物联网应用，该应用处理器的内部RAM连接到外部NOR闪存。这些应用程序通常将应用程序代码和数据存储在NOR闪存中，并在加电时将所有内容从NOR闪存下载到内部RAM。此用例称为“存储和下载”（SnD），如图2所示。应用处理器的内部RAM密度限制了IoT系统的性能改进，例如更快的无线更新，改进的显示性能，增强的网络连接吞吐量，改进的音频性能，通过SPI / UART的传感器融合以及算术运算。由于内部RAM密度有限，因此此类改进需要更改BOM。

图2.存储和下载（SnD）用例。

图3显示了处理器如何在加电时从NOR闪存复制数据并直接从NOR闪存使用XiP执行代码。通过这种方法，处理器可以使用更多内部RAM来改善应用程序。因此，使用由NOR Flash启用的XiP可以改进IoT应用程序，而不会影响性能。

图3.就地执行（XiP）用例。

通常，仅由于耐久性和可靠性问题，NOR闪存才用于随机快速读取目的。所有闪存在大量的编程/擦除周期中会遭受物理性能下降，最终可能导致设备故障。一些物联网应用需要闪存设备的高耐久性和高保留率；较低的数据保留或耐久性可能会影响系统功能。

存储器制造商正在研究提高耐用性的新架构，以便应用程序现在可以使用NOR闪存执行数据记录。例如，赛普拉斯Semper Flash中的EnduraFlex体系结构通过将Flash设备划分为多个分区来优化系统设计。每个分区都可以独立配置，以实现高耐用性或长期保留。对于频繁的数据写入，与典型的NOR闪存设备中的100,000个周期相比，分区可以配置为提供多达256万个编程/擦除周期。同样，数据保留最长也可以提高25年。

安全保障

必须在安全性（即通过防止数据损坏的可靠操作）和安全性（即保护数据免受黑客攻击）方面保护代码和敏感的用户数据（例如带有医用可穿戴设备）。为了实现这一目标，存储器变得越来越智能，并且集成了诸如嵌入式Arm Cortex-M0 CPU之类的处理器，以处理片上与安全性和安全性相关的复杂嵌入式算法（见图4）。这样可以提高可靠性，同时有助于改善设备性能，安全性和安全性。

图4.如今的可穿戴设备NOR闪存提供更大的容量以及许多安全保护功能。此处显示的是赛普拉斯的Semper NOR闪存架构。

借助集成处理器，NOR Flash还能够支持提供端到端数据完整性和保护的各种功能和诊断。NOR Flash支持传统的高级扇区保护（ASP）方案以及1 KB一次性可编程（OTP）区域，但是这些功能不足以用于某些IoT或可穿戴应用程序。先进的NOR闪存可实现其他端到端安全解决方案，包括云到闪存安全性，安全的无线空中固件（FOTA）更新以及安全的写保护。

功率效率是可穿戴设备的另一个重要考虑因素。可穿戴设备倾向于在很短的时间内使用NOR闪存设备的有功功率。在其他所有时间，NOR闪存设备均处于待机或深度掉电模式。另外，大多数可穿戴设备都依靠电池供电。这需要NOR闪存设备具有低待机电流和低功耗电流。如今的NOR闪存可支持6.5 µA的低待机电流和1 µA的深度掉电电流。

即使可穿戴设备倾向于在室温下运行，但某些物联网应用仍需要能够在极端温度下可靠运行。对于这些应用，提供了可处理-55°C至+ 125°C环境温度的工业存储器。

结论

可穿戴设备是未来物联网市场增长的重要组成部分，其要求范围从尺寸，功耗和成本到安全性。随着诸如集成处理器之类的NOR Flash技术的进步，这些存储器可以在存储中提供更大的密度，更低的功耗，更高的安全性和更高的性能。