Mejora del rendimiento y la seguridad en los wearables de IoT

Muchas aplicaciones de IoT, incluidos los automóviles conectados, la automatización de fábricas, la ciudad inteligente, la salud conectada y los dispositivos portátiles, requieren memoria no volátil para almacenar datos y códigos. Tradicionalmente, las aplicaciones integradas han utilizado memoria Flash externa para este propósito.

Sin embargo, a medida que la tecnología de semiconductores moderna enfrenta desafíos en escala y costo a medida que se mueve hacia geometrías más pequeñas, se ha vuelto cada vez más difícil integrar memoria Flash dentro del SoC anfitrión. Por lo tanto, los diseños futuros de MCU o SoC tienen como objetivo el sistema en paquete (SiP) o el uso de Flash externo. Esta tendencia no aborda las necesidades de las aplicaciones de IoT como los dispositivos portátiles debido a su factor de forma pequeño, restricciones estrictas de costos y requisitos relacionados con el bajo consumo de energía.

Para abordar estos problemas, los fabricantes de memorias Flash están desarrollando arquitecturas que optimizan el tamaño y el consumo de energía. Al mismo tiempo, están introduciendo nuevas e importantes capacidades que respaldan una mayor resistencia, confiabilidad, seguridad y protección.

Tamaño de memoria

Los wearables heredados y de generación actual requieren soluciones flash NOR de baja densidad para almacenar código, pero necesitan densidades más altas que crecerán a medida que las aplicaciones se vuelvan más complejas y necesiten registrar más datos. Las nuevas arquitecturas de células permiten una mayor capacidad de memoria. Por ejemplo, la tecnología MirrorBit puede almacenar dos bits por celda y admite productos de hasta 4 Gb de densidad. Este aumento en la densidad permite un tamaño de matriz entre un 20% y un 30% más pequeño en comparación con las arquitecturas tradicionales de puerta flotante NOR Flash. Este tamaño de matriz más pequeño también aumenta la flexibilidad de empaquetado para la memoria externa. Un tamaño de troquel más pequeño es una opción adecuada para soluciones SiP o una memoria externa no volátil con empaquetado a escala de chip a nivel de oblea (WLCSP).

Para admitir la velocidad de acceso a la matriz de memoria más grande, se requiere una interfaz de alta velocidad. El Semper NOR Flash de Cypress, por ejemplo, tiene un protocolo Quad SPI que se ejecuta a 102 MB / sy un protocolo xSPI que se ejecuta a una velocidad de 400 MB / s. Las interfaces de alta velocidad son necesarias para aplicaciones de IoT de alto rendimiento, así como para aplicaciones que requieren capacidad de encendido instantáneo y ejecución en el lugar (XiP) de NOR flash.

Figura 1. Los fabricantes de memorias están desarrollando tecnologías como MirrorBit para mejorar la densidad de la memoria. (Fuente:Cypress)

Además de un mayor tamaño de memoria, las nuevas arquitecturas también son más flexibles. El código, los datos y el registro de datos tienen requisitos de almacenamiento diferentes. Con una arquitectura de sector flexible que permite a los desarrolladores configurar el tamaño del sector y proporcionar un esquema de direccionamiento continuo, es posible segmentar la memoria de la manera que mejor se adapte al código o los datos que se almacenan allí.

Ejecutar in situ (XiP)

A medida que los dispositivos de IoT continúan expandiéndose a una mayor variedad de aplicaciones y entornos operativos, los requisitos de seguridad también se vuelven más estrictos. La memoria que almacena el código debe permitir que el sistema se inicie desde la memoria, registre los datos del sensor y realice funciones XiP. Estas funciones no son fáciles de implementar con una arquitectura flash NOR tradicional.

Considere una aplicación de IoT típica con un procesador de aplicaciones que tiene RAM interna conectada a una memoria flash NOR externa. Estas aplicaciones a menudo almacenan el código y los datos de la aplicación en la memoria flash NOR y descargan todo, desde la memoria flash NOR a la RAM interna en el momento del encendido. Este caso de uso se llama "Almacenar y descargar" (SnD), que se muestra en la Figura 2. La densidad de RAM interna de los procesadores de aplicaciones limita las mejoras en el rendimiento del sistema de IoT, como actualizaciones inalámbricas más rápidas, rendimiento de pantalla mejorado, mayor red rendimiento, rendimiento de audio mejorado, fusión de sensores sobre SPI / UART y operaciones aritméticas. Estas mejoras requieren un cambio de BOM debido a la densidad de RAM interna limitada.

Figura 2. Caso de uso de almacenamiento y descarga (SnD). (Fuente:Cypress)

La Figura 3 muestra cómo el procesador puede copiar datos de NOR Flash y ejecutar código con XiP directamente desde NOR Flash al encender. Con este enfoque, el procesador tiene más RAM interna disponible para mejorar la aplicación. Por lo tanto, el uso de XiP habilitado por NOR Flash permite mejorar las aplicaciones de IoT sin ningún impacto en el rendimiento.

Figura 3. Caso de uso de Ejecutar in situ (XiP). (Fuente:Cypress)

Normalmente, la memoria flash NOR se utiliza para fines de lectura rápida aleatoria solo debido a problemas de resistencia y fiabilidad. Toda la memoria flash está sujeta a degradación física en un gran número de ciclos de programa / borrado que eventualmente pueden provocar fallas en el dispositivo. Algunas aplicaciones de IoT necesitan alta resistencia y alta retención en dispositivos flash; Una menor retención o resistencia de datos puede afectar la funcionalidad del sistema.

Los fabricantes de memoria están trabajando en nuevas arquitecturas que mejoran la resistencia para que las aplicaciones ahora puedan realizar el registro de datos con flash NOR. Por ejemplo, la arquitectura EnduraFlex en Semper Flash de Cypress optimiza el diseño del sistema al permitir que un dispositivo Flash se divida en múltiples particiones. Cada partición se puede configurar de forma independiente para una alta resistencia o una larga retención. Para escrituras de datos frecuentes, se puede configurar una partición para entregar hasta 2.56 millones de ciclos de programa / borrado en comparación con 100,000 ciclos en un dispositivo flash NOR típico. Del mismo modo, la retención de datos también se puede mejorar, hasta 25 años.

Seguridad y protección

El código y los datos confidenciales del usuario (como con un dispositivo médico) deben protegerse, tanto en términos de seguridad (es decir, operación confiable al evitar la corrupción de datos) como de seguridad (es decir, proteger los datos de piratas informáticos). Para lograr esto, las memorias se están volviendo más inteligentes e integran procesadores como la CPU Arm Cortex-M0 integrada para manejar algoritmos integrados complejos relacionados con la seguridad en el chip (consulte la Figura 4). Esto mejora la confiabilidad al mismo tiempo que ayuda a mejorar el rendimiento, la seguridad y la protección del dispositivo.

Figura 4. Las memorias NOR Flash de hoy para dispositivos portátiles proporcionan una mayor capacidad, así como muchas funciones de seguridad. Aquí se muestra la arquitectura de memoria Flash Semper NOR de Cypress. (Fuente:Cypress)

Con un procesador integrado, NOR Flash también puede admitir una variedad de funciones y diagnósticos que brindan integridad y protección de datos de un extremo a otro. NOR Flash admite los esquemas tradicionales de Protección del sector avanzado (ASP), así como una región de 1 KB programable por única vez (OTP), pero estas características no son suficientes para ciertas aplicaciones de IoT o portátiles. Advanced NOR Flash habilita soluciones de seguridad de extremo a extremo adicionales, incluida la seguridad de nube a flash, actualizaciones seguras de firmware por aire (FOTA) y protección segura contra escritura.

La eficiencia energética es otra consideración importante para los wearables. Los dispositivos portátiles tienden a utilizar la potencia activa de los dispositivos flash NOR durante un tiempo muy corto. En cualquier otro momento, el dispositivo flash NOR permanece en modo de espera o de apagado total. Además, la mayoría de los dispositivos portátiles funcionan con batería. Esto requiere un dispositivo flash NOR con una baja corriente de espera y de apagado profundo. Las memorias NOR Flash de hoy pueden admitir una corriente de reserva baja del orden de 6,5 µA y una corriente de apagado profundo del orden de 1 µA.

Aunque los dispositivos portátiles tienden a funcionar en entornos a temperatura ambiente, algunas aplicaciones de IoT deben poder ejecutarse de manera confiable a temperaturas extremas. Para estas aplicaciones, se encuentran disponibles memorias industriales que pueden soportar temperaturas ambiente de -55 ° C a + 125 ° C.

Conclusión

Los dispositivos portátiles son una parte importante del crecimiento futuro del mercado de IoT, con requisitos que van desde el factor de forma, la potencia y el costo hasta la seguridad. Con los avances en la tecnología NOR Flash, como un procesador integrado, estas memorias pueden proporcionar mayor densidad, menor potencia, mayor seguridad y mayor rendimiento en el