NOR閃存如何幫助克服可穿戴設備的設計挑戰

2022-07-14

NOR閃存如何幫助克服可穿戴設備的設計挑戰

盡管可穿戴和可聽技術似乎是上一代手持設備的延伸，但提高其價值、用戶體驗和功能所需的創新功能增加了相當大的復雜性。例如，必須在嚴格的外形尺寸和功率限制內為智能手表添加時尚的特性和功能。

因此，當我們看到更小的設備（例如助聽器和耳塞）時，需要滿足更嚴格的限制，特別是產品重量。為了在下一代設備中對這些產品功能進行易于實施的修訂和持續改進，可穿戴設備和可聽設備依賴于內存。內存是啟用這些先進設備的關鍵設計因素。

提供卓越用戶體驗所需的功能

向系統添加創新功能可以顯著增加代碼大小。例如，生命體征監測需要更多的數據內存來實現額外的設計方面，例如安全性、無線(OTA)更新、數據記錄和人工智能(AI)。

接下來，安全對于每一個連接的設備來說都變得越來越重要，并且需要持續更新。對于智能手表等無線設備，這些更新更經常使用OTA機制實現，這需要足夠的內存來維護和驗證第二個代碼映像，然后再將控制權轉移到新代碼。

許多設備也開始實施數據記錄。記錄用戶體驗和數據的影響才剛剛開始被探索，并將啟用一系列全新的定制功能。當前跟蹤用戶的設備（例如健康監視器）將使用更多傳感器，從而捕獲更多數據。

對于這些設備的下一代，邊緣人工智能將成為一種顛覆性趨勢，從而導致對內存大小的要求增加。這些邊緣設備使用先進的AI系統運行機器學習(ML)算法，以在設備上本地處理數據，以實現語音識別、面部識別、指紋檢測和健康監測等功能。由于成本更低、尺寸小和能效高，這些設備依靠微控制器(MCU)來運行復雜的ML算法。MCU部署用于并行處理的專用內核，使 ML 模型能夠在設備本身上運行和優化。

記憶在產品差異化中的作用

所有這些新功能都推動了對更多非易失性存儲器的需求，這意味著即使斷電也能夠保留存儲數據的存儲器。由于許多可穿戴設備和耳戴式設備都是由電池供電的，因此NOR閃存通常是首選內存，因為它具有快速讀取訪問、耐用性和可靠性。

事實上，智能手表、無線耳塞和其他穿戴式設備的NOR閃存市場預計將從2019年的9000萬美元增長到2024年的超過2.65億美元。這種增長是由汽車、醫療和工業等領域的互聯設備對內存的需求增加推動的。同時，預計密度要求也會增加，可穿戴設備將從較低密度的64 Mb存儲器轉移到中等密度的256 Mb存儲器。

物理尺寸可以說是這些存儲器最關鍵的方面，因為裸片尺寸直接決定了成本、最終設備尺寸以及最終產品的外形尺寸?？陕犜O備和可穿戴設備的獨特要求之一是存儲設備的高度或輪廓很重要。因此，內存芯片的深度也必須優化，并且在某些應用中，如可聽設備，重量也是至關重要的。

由于這些原因，內存制造商不斷開發創新技術和新架構，以改善芯片尺寸和功耗。以SEMPER NOR閃存系列為例，它利用專有的MIRRORBIT技術在每個單元中存儲兩個數據位，從而使器件內存部分的密度增加一倍。差異很大，因為它可以在更小的空間內實現更高密度的內存。典型的256 Mb NOR閃存的裸片尺寸約為18 mm 2。使用MIRRORBIT技術，256 Mb可以安裝在13.6 mm 2芯片上。

內存還需要作為芯片提供給制造商。請注意，可穿戴設備的標準方法是使用定制封裝，例如帶有球柵陣列(BGA)連接的晶圓級芯片級封裝(WLCSP)。簡而言之，制造商使用他們的封裝將多個處理器（例如 CPU 和 DSP）與他們選擇的內存芯片集成在一個封裝中，稱為系統級封裝(SiP)，如圖 1所示。這反過來又導致需要更高密度的存儲設備，因為它們現在需要存儲兩個處理器的應用程序代碼和數據。為了啟用這些SiP設備，SEMPER Nano以已知良好晶圓 (KGW) 格式提供，OEM 可以將其與其選擇的處理器集成。

圖 1傳統的可穿戴設備和可穿戴設備需要外部NOR閃存來存儲代碼、數據和數據日志（左）。占用空間極小的應用，例如具有真正無線立體聲 (TWS) 功能的無線耳塞，采用高密度堆疊芯片架構，該架構將MCU和DSP與內存結合在一個芯片級封裝中（右圖）。

優化以降低損失

傳統上，存儲設備是為廣泛應用而設計的商品。然而，可聽設備和可穿戴設備市場的嚴格限制要求使用針對尺寸、功率和可靠性進行明確優化的內存。

有幾種方法可以優化NOR閃存以最小化功耗。傳統上，低功耗是通過降低待機電流和有效讀取電流來實現的。深度掉電模式可以顯著延長電池工作壽命，進一步提高電源效率。從這個角度來看，SEMPER Nano NOR flash 的典型待機電流為5.0 A，比 SEMPER NOR flash 低 54%，典型的深度掉電模式下降到1 μA，比SEMPER NOR flash 低 23% (圖 2）。

圖 2 SEMPER Nano NOR閃存與SEMPER NOR閃存的功耗比較。

降低功耗的關鍵是最大限度地減少內存從活動模式轉換到待機模式所需的時間。為了最大限度地節省電力，內存需要能夠立即進入待機模式以避免不必要的電力浪費（圖 3）。

圖 3 SEMPER Nano NOR閃存集成了一個處理器，用于從應用CPU中卸載電源和可靠性處理。

快速讀取訪問對于“即時啟動”等功能至關重要。沒有人愿意等待他們的耳塞啟動。在這里，NOR閃存建立在內部并行陣列接口上，以實現快速讀取時間，從而可以更快地啟動更大的程序。

NOR falsh的快速訪問和低功耗使得直接從閃存運行代碼成為可能，這被稱為就地執行 (XiP)，進一步縮短了設備開啟的時間。這種統一的內存方法將代碼、數據和日志組合在一個內存芯片中。它通過消除用于代碼和數據存儲的RAM顯著減少了整體物理內存占用。它還提高了整體可靠性，降低了功耗，并實現了更小的外形尺寸和簡化的設計。

更好的內存等于更好的可穿戴設備

在可穿戴設備和可聽設備市場取得成功和盈利的關鍵是通過先進的健身和醫療監測等創新功能來區分產品，以提供卓越的用戶體驗。這些特性增加了對針對尺寸、低功耗和可靠性進行優化的更高密度NOR閃存的需求。NOR閃存的集成可靠性功能——能夠將代碼、數據和日志存儲在單個統一存儲器中——簡化并加速了設計，同時使開發人員能夠滿足這些應用程序的嚴格設計限制。