Melhorando o desempenho e a segurança em wearables IoT

Muitos aplicativos IoT - incluindo carros conectados, automação de fábrica, cidade inteligente, saúde conectada e vestíveis - requerem memória não volátil para armazenar dados e código. Tradicionalmente, os aplicativos incorporados usam memória Flash externa para essa finalidade.

No entanto, como a tecnologia de semicondutores moderna enfrenta desafios de dimensionamento e custo à medida que se move para geometrias menores, tornou-se cada vez mais difícil incorporar memória Flash no SoC host. Portanto, os projetos futuros de MCU ou SoC têm como objetivo o sistema em pacote (SiP) ou o uso de Flash externo. Essa tendência não atende às necessidades de aplicativos de IoT, como wearables, por causa de seu formato pequeno, restrições estritas de custo e requisitos de baixo consumo de energia.

Para resolver esses problemas, os fabricantes de memória Flash estão desenvolvendo arquiteturas que otimizam o tamanho e o consumo de energia. Ao mesmo tempo, eles estão introduzindo novos recursos importantes que oferecem maior durabilidade, confiabilidade e proteção.

Tamanho da memória

Os vestíveis herdados e da geração atual exigem soluções flash NOR de baixa densidade para armazenar o código, mas eles precisam de densidades mais altas que irão crescer à medida que os aplicativos se tornam mais complexos e precisam registrar mais dados. Novas arquiteturas de células permitem maior capacidade de memória. Por exemplo, a tecnologia MirrorBit pode armazenar dois bits por célula e oferece suporte a produtos de até 4 Gb de densidade. Este aumento na densidade permite um tamanho de molde entre 20% a 30% menor em comparação com as arquiteturas Flash NOR de porta flutuante tradicionais. Este tamanho menor da matriz também aumenta a flexibilidade de embalagem para memória externa. Um tamanho de molde menor é uma opção adequada para soluções SiP ou uma memória não volátil externa com empacotamento de escala de chip de nível de wafer (WLCSP).

Para suportar a velocidade de acesso ao array de memória maior, é necessária uma interface de alta velocidade. O Semper NOR Flash da Cypress, por exemplo, possui um protocolo Quad SPI rodando a 102 MB / se o protocolo xSPI rodando a 400 MB / s de velocidade. Interfaces de alta velocidade são necessárias para aplicativos IoT de alto desempenho, bem como para aplicativos que requerem capacidade de ativação instantânea e Execute-in-Place (XiP) do flash NOR.

Figura 1. Tecnologias como MirrorBit estão sendo desenvolvidas por fabricantes de memórias para melhorar a densidade da memória. (Fonte:Cypress)

Além de maior tamanho de memória, novas arquiteturas são mais flexíveis também. Código, dados e registro de dados, cada um tem diferentes requisitos de armazenamento. Com uma arquitetura de setor flexível que permite aos desenvolvedores configurar o tamanho do setor e fornecer um esquema de endereçamento contínuo, é possível segmentar a memória da maneira que melhor corresponda ao código ou aos dados armazenados ali.

Executar no local (XiP)

À medida que os dispositivos IoT continuam a se expandir para uma variedade maior de aplicações e ambientes operacionais, os requisitos de proteção e segurança também se tornam mais rígidos. A memória que armazena o código precisa permitir que o sistema inicialize a partir da memória, registre dados do sensor e execute funções XiP. Essas funções não são fáceis de implementar com uma arquitetura flash NOR tradicional.

Considere um aplicativo IoT típico com um processador de aplicativos que possui RAM interna conectada a um flash NOR externo. Esses aplicativos geralmente armazenam o código e os dados do aplicativo na memória flash do NOR e baixam tudo do flash do NOR para a RAM interna na inicialização. Este caso de uso é chamado de “Store and Download” (SnD), mostrado na Figura 2. A densidade de RAM interna dos processadores de aplicativos limita as melhorias de desempenho do sistema IoT, como atualizações over-the-air mais rápidas, desempenho de exibição aprimorado, rede aprimorada rendimento, desempenho de áudio aprimorado, fusão de sensores em SPI / UART e operações aritméticas. Essas melhorias requerem uma alteração na lista de materiais devido à densidade limitada da RAM interna.

Figura 2. Caso de uso Store and Download (SnD). (Fonte:Cypress)

A Figura 3 mostra como o processador pode copiar dados do Flash NOR e executar código com XiP diretamente do Flash NOR ao ser ligado. Com essa abordagem, o processador tem mais RAM interna disponível para aprimoramento do aplicativo. Portanto, usar o XiP habilitado pelo NOR Flash permite que os aplicativos IoT sejam aprimorados sem nenhum impacto no desempenho.

Figura 3. Caso de uso Execute in Place (XiP). (Fonte:Cypress)

Normalmente, o flash NOR é usado para fins de leitura rápida aleatória apenas por causa de problemas de resistência e confiabilidade. Toda a memória flash está sujeita à degradação física em um grande número de ciclos de programação / apagamento que podem levar à falha do dispositivo. Alguns aplicativos IoT precisam de alta resistência e alta retenção em dispositivos flash; menor retenção ou resistência de dados pode afetar a funcionalidade do sistema.

Os fabricantes de memória estão trabalhando em novas arquiteturas que melhoram a resistência para que os aplicativos possam agora realizar o registro de dados com o flash NOR. Por exemplo, a arquitetura EnduraFlex no Cypress ’Semper Flash otimiza o design do sistema, permitindo que um dispositivo Flash seja dividido em várias partições. Cada partição pode ser configurada independentemente para alta resistência ou longa retenção. Para gravações de dados frequentes, uma partição pode ser configurada para fornecer até 2,56 milhões de ciclos de programação / exclusão, em comparação com 100.000 ciclos em um dispositivo flash NOR típico. Da mesma forma, a retenção de dados também pode ser melhorada em até 25 anos.

Proteção e segurança

O código e os dados confidenciais do usuário (como um wearable médico) devem ser protegidos, tanto em termos de segurança (ou seja, operação confiável, evitando a corrupção de dados) e segurança (ou seja, protegendo dados de hackers). Para conseguir isso, as memórias estão se tornando mais inteligentes e integrando processadores como a CPU Arm Cortex-M0 embutida para lidar com algoritmos embutidos complexos relacionados à proteção e segurança no chip (consulte a Figura 4). Isso aumenta a confiabilidade e, ao mesmo tempo, ajuda a melhorar o desempenho, a segurança e a proteção do dispositivo.

Figura 4. As memórias Flash NOR de hoje para vestíveis fornecem maior capacidade, bem como muitos recursos de segurança e proteção. Aqui é mostrada a arquitetura de memória Flash Semper NOR da Cypress. (Fonte:Cypress)

Com um processador integrado, o NOR Flash também é capaz de oferecer suporte a uma variedade de recursos e diagnósticos que fornecem integridade e proteção de dados de ponta a ponta. O NOR Flash oferece suporte a esquemas de Proteção Avançada de Setor (ASP) e também a uma região One-Time Programmable (OTP) de 1 KB, mas esses recursos não são suficientes para certos aplicativos IoT ou vestíveis. O Flash NOR avançado permite soluções de segurança ponta a ponta adicionais, incluindo segurança nuvem para flash, atualizações seguras de firmware over-the-air (FOTA) e proteção contra gravação segura.

A eficiência energética é outra consideração importante para vestíveis. Dispositivos vestíveis tendem a usar a energia ativa dos dispositivos flash NOR por um período muito curto. Em todas as outras ocasiões, o dispositivo flash NOR permanece em modo de espera ou desligamento profundo. Além disso, a maioria dos dispositivos vestíveis opera com bateria. Isso requer um dispositivo flash NOR com baixa corrente de espera e de desligamento profundo. As memórias Flash NOR de hoje podem suportar corrente de espera baixa na ordem de 6,5 µA e corrente de desligamento profundo na ordem de 1 µA.

Embora os dispositivos vestíveis tendam a operar em ambientes à temperatura ambiente, alguns aplicativos IoT precisam ser executados de forma confiável em temperaturas extremas. Para essas aplicações, estão disponíveis memórias industriais que podem lidar com temperaturas ambientes de -55 ° C a + 125 ° C.

Conclusão

Dispositivos vestíveis são uma parte importante do crescimento futuro do mercado de IoT, com requisitos que variam de fator de forma, potência e custo a proteção e proteção. Com os avanços na tecnologia NOR Flash, como um processador integrado, essas memórias podem fornecer maior densidade, menor potência, maior segurança e maior desempenho no