Verbeteren van prestaties en beveiliging in IoT-wearables

Veel IoT-toepassingen, waaronder verbonden auto's, fabrieksautomatisering, slimme steden, verbonden gezondheid en wearables, hebben niet-vluchtig geheugen nodig om gegevens en code op te slaan. Traditioneel gebruiken embedded applicaties hiervoor extern Flash-geheugen.

Omdat moderne halfgeleidertechnologie echter wordt geconfronteerd met uitdagingen op het gebied van schaalbaarheid en kosten naarmate deze overstapt naar kleinere geometrieën, is het steeds moeilijker geworden om Flash-geheugen in de host-SoC in te bedden. Daarom zijn toekomstige MCU- of SoC-ontwerpen gericht op system-in-package (SiP) of het gebruik van externe Flash. Deze trend komt niet tegemoet aan de behoeften van IoT-toepassingen zoals wearables vanwege hun kleine vormfactor, strikte kostenbeperkingen en vereisten met betrekking tot laag energieverbruik.

Om deze problemen aan te pakken, ontwikkelen fabrikanten van flashgeheugen architecturen die de grootte en het stroomverbruik optimaliseren. Tegelijkertijd introduceren ze belangrijke nieuwe mogelijkheden die een groter uithoudingsvermogen, betrouwbaarheid, beveiliging en veiligheid ondersteunen.

Geheugengrootte

Oudere wearables en wearables van de huidige generatie vereisen NOR-flashoplossingen met een lage dichtheid om code op te slaan, maar ze hebben hogere dichtheden nodig die zullen toenemen naarmate applicaties complexer worden en ze meer gegevens moeten loggen. Nieuwe celarchitecturen maken een grotere geheugencapaciteit mogelijk. De MirrorBit-technologie kan bijvoorbeeld twee bits per cel opslaan en ondersteunt producten met een dichtheid tot 4 Gb. Deze toename in dichtheid zorgt voor een 20% tot 30% kleinere matrijsgrootte in vergelijking met de traditionele NOR Flash-architecturen met zwevende poort. Dit kleinere formaat van de matrijs vergroot ook de verpakkingsflexibiliteit voor extern geheugen. Een kleinere matrijs is een geschikte optie voor SiP-oplossingen of een extern niet-vluchtig geheugen met wafer-level chip scale packaging (WLCSP).

Om de toegangssnelheid tot de grotere geheugenarray te ondersteunen, is een snelle interface vereist. De Semper NOR Flash van Cypress heeft bijvoorbeeld een Quad SPI-protocol met een snelheid van 102 MB/s en een xSPI-protocol met een snelheid van 400 MB/s. Snelle interfaces zijn nodig voor krachtige IoT-toepassingen en voor toepassingen die instant-ON-mogelijkheden en Execute-in-Place (XiP) van NOR-flash vereisen.

Figuur 1. Technologieën zoals MirrorBit worden ontwikkeld door geheugenfabrikanten om de geheugendichtheid te verbeteren. (Bron:Cypress)

Naast een grotere geheugenomvang, zijn nieuwe architecturen ook flexibeler. Code, data en datalogging hebben elk verschillende opslagvereisten. Met een flexibele sectorarchitectuur waarmee ontwikkelaars de sectorgrootte kunnen configureren en een continu adresseringsschema kunnen bieden, wordt het mogelijk om geheugen te segmenteren op een manier die het beste past bij de code of gegevens die daar worden opgeslagen.

Execute-in-Place (XiP)

Naarmate IoT-apparaten blijven uitbreiden naar een grotere verscheidenheid aan toepassingen en besturingsomgevingen, worden ook de vereisten voor veiligheid en beveiliging strenger. Het geheugen dat code opslaat, moet het systeem in staat stellen op te starten vanuit het geheugen, sensorgegevens te loggen en XiP-functies uit te voeren. Deze functies zijn niet eenvoudig te implementeren met een traditionele NOR-flasharchitectuur.

Overweeg een typische IoT-toepassing met een toepassingsprocessor met intern RAM-geheugen dat is aangesloten op een externe NOR-flash. Deze toepassingen slaan vaak toepassingscode en gegevens op in het NOR-flashgeheugen en downloaden alles van de NOR-flash naar het interne RAM-geheugen bij het opstarten. Deze use-case wordt "Store and Download" (SnD) genoemd, die wordt weergegeven in afbeelding 2. De interne RAM-dichtheid van de applicatieprocessors beperkt de prestatieverbeteringen van het IoT-systeem, zoals snellere over-the-air updates, verbeterde weergaveprestaties, verbeterde netwerkmogelijkheden doorvoer, verbeterde audioprestaties, sensorfusie via SPI/UART en rekenkundige bewerkingen. Dergelijke verbeteringen vereisen een stuklijstwijziging vanwege de beperkte interne RAM-dichtheid.

Figuur 2. Opslaan en downloaden (SnD) use case. (Bron:Cypress)

Afbeelding 3 laat zien hoe de processor gegevens van de NOR Flash kan kopiëren en code met XiP direct vanaf de NOR Flash kan uitvoeren bij het opstarten. Met deze aanpak heeft de processor meer intern RAM beschikbaar voor applicatieverbetering. Door gebruik te maken van XiP, mogelijk gemaakt door NOR Flash, kunnen IoT-toepassingen dus worden verbeterd zonder enige invloed op de prestaties.

Figuur 3. Execute in Place (XiP) use case. (Bron:Cypress)

Doorgaans wordt NOR-flitser alleen gebruikt voor willekeurige snelle leesdoeleinden vanwege problemen met het uithoudingsvermogen en de betrouwbaarheid. Al het flashgeheugen is onderhevig aan fysieke degradatie bij grote aantallen programmeer-/wiscycli die uiteindelijk tot apparaatstoringen kunnen leiden. Sommige IoT-toepassingen hebben een hoog uithoudingsvermogen en hoge retentie nodig in flash-apparaten; lagere gegevensretentie of -duurzaamheid kan de systeemfunctionaliteit beïnvloeden.

Geheugenfabrikanten werken aan nieuwe architecturen die het uithoudingsvermogen verbeteren, zodat applicaties nu datalogging kunnen uitvoeren met NOR-flash. De EnduraFlex-architectuur in Cypress' Semper Flash optimaliseert bijvoorbeeld het systeemontwerp door een Flash-apparaat op te delen in meerdere partities. Elke partitie kan onafhankelijk worden geconfigureerd voor hoge duurzaamheid of lange retentie. Voor frequente gegevensschrijfacties kan een partitie worden geconfigureerd om tot 2,56 miljoen programma-/wiscycli te leveren, vergeleken met 100.000 cycli in een typisch NOR-flashapparaat. Evenzo kan het bewaren van gegevens worden verbeterd, tot wel 25 jaar.

Veiligheid en beveiliging

Code en gevoelige gebruikersgegevens (zoals bij een medische wearable) moeten worden beveiligd, zowel op het gebied van veiligheid (d.w.z. betrouwbare werking door corruptie van gegevens te voorkomen) als beveiliging (d.w.z. gegevens beschermen tegen hackers). Om dit te bereiken, worden herinneringen slimmer en integreren ze processors zoals de embedded Arm Cortex-M0 CPU om complexe veiligheids- en beveiligingsgerelateerde embedded algoritmen op de chip te verwerken (zie figuur 4). Dit verhoogt de betrouwbaarheid en helpt tegelijkertijd de prestaties, veiligheid en beveiliging van het apparaat te verbeteren.

Figuur 4. De huidige NOR Flash-geheugens voor wearables bieden een grotere capaciteit en veel beveiligings- en veiligheidsfuncties. Hier wordt de Semper NOR Flash-geheugenarchitectuur van Cypress weergegeven. (Bron:Cypress)

Met een geïntegreerde processor kan NOR Flash ook een verscheidenheid aan functies en diagnostiek ondersteunen die end-to-end gegevensintegriteit en -bescherming bieden. NOR Flash ondersteunt traditionele ASP-schema's (Advanced Sector Protection) en een 1 KB One-Time Programmable (OTP)-regio, maar deze functies zijn niet voldoende voor bepaalde IoT- of draagbare toepassingen. Advanced NOR Flash maakt aanvullende end-to-end beveiligingsoplossingen mogelijk, waaronder cloud-to-flash-beveiliging, veilige firmware-over-the-air (FOTA)-updates en veilige schrijfbeveiliging.

Energiezuinigheid is een andere belangrijke overweging voor wearables. Draagbare apparaten hebben de neiging om het actieve vermogen van NOR-flitsapparaten voor een zeer korte tijd te gebruiken. Op alle andere momenten blijft het NOR-flitsapparaat in de stand-by- of diepe uitschakelmodus. Bovendien werken de meeste draagbare apparaten op batterijvoeding. Dit vereist een NOR-flitsapparaat met een lage stand-by- en deep-power-down-stroom. De huidige NOR Flash-geheugens kunnen een lage stand-bystroom ondersteunen van ongeveer 6,5 µA en een diepe stroomonderbreking in de orde van grootte van 1 µA.

Hoewel draagbare apparaten meestal werken in omgevingen bij kamertemperatuur, moeten sommige IoT-toepassingen betrouwbaar kunnen werken bij extreme temperaturen. Voor deze toepassingen zijn industriële geheugens beschikbaar die omgevingstemperaturen van -55 °C tot +125 °C aankunnen.

Conclusie

Draagbare apparaten vormen een belangrijk onderdeel van de toekomstige groei van de IoT-markt, met vereisten variërend van vormfactor, vermogen en kosten tot veiligheid en beveiliging. Met de vooruitgang in de NOR Flash-technologie, zoals een geïntegreerde processor, kunnen deze geheugens zorgen voor een grotere dichtheid, een lager vermogen, een hogere beveiliging en betere prestaties in de