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串行闪存技术如何发展以满足工业4.0设计的新要求

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着名的第四次工业革命,标记为“工业4.0”,是基于大规模数字化工业设备和工艺的转变。工业4.0的这一趋势现在正在扩展工业机器和系统中几乎所有重要类别的电子元件的功能。

非易失性存储器也不例外。非易失性存储器面临着以五种主要方式满足工业4.0设计中的新要求的挑战:

  • 成本

  • 尺寸

  • 速度

  • 能量消耗

  • 安全

虽然各种替代非易失性存储器技术继续面临挑战,但事实证明,熟悉的Flash技术正在发展最快,最有效地应对这些新挑战。本文介绍了闪存产品的最新创新,这些创新将帮助系统设计人员为工业4.0应用程序实施新的设备设计。

工业4.0
工业4.0 的需求由商业咨询公司麦肯锡定义为:'制造业数字化的下一阶段,由四个中断驱动:数据量,计算能力和连接性的惊人增长,尤其是新的低功率宽度-area networks(LPWANs); 分析和商业智能功能的出现; 新的人机交互形式,如触摸界面和增强现实(AR)系统; 以及将数字指令传输到物理世界的改进,例如高级机器人和3D打印。

工业4.0设备以其广泛生成和使用“大数据”而着称,通过始终在线,无处不在的互联网连接促进了这一点。随着LPWAN在工厂,仓库和工业园区的激增,供应链将越来越多地能够通过云中的复杂分析软件共享有关产品,库存和资产的实时监控数据。

支撑这种数字化的爆炸式增长将是传感设备的大规模增加部署,例如可以无线读取的RFID智能标签。这些设备通过电池供电或甚至从收集的能量运行,通常需要超低功率存储器组件来存储记录的数据。

工业设备的新控制技术将带来完全不同的挑战。对于今天在公路上对自动驾驶汽车进行测试的所有宣传,它是在工厂和仓库中,通过消除人类驾驶员获得巨大的效率和安全效益,自动驾驶汽车,如叉车和电动推车,首次部署(见图1)。

 

图1:自动林德R-MATIC前移式叉车将高达1.6吨的托盘货物全自动运输到高架货架。(图片来源:林德)

同样,AR和虚拟现实(VR)最为人所知的是消费者技术,但在工厂中再次提供巨大的潜在价值,例如协助手动组装,维护或维修操作。

这些复杂应用程序的新实现将运行在庞大的应用程序代码库上,远远超过当今工业设备的典型代码。这将给工业系统设计人员带来压力,要求他们找到满足大幅增加的容量需求的代码存储解决方案,而不会同样大幅增加材料清单成本和电路板占板面积。

最后,所有类型的工业4.0设备的共同主题是连接 - 连接带来了安全性受损的固有风险。通过保证在工业4.0设备中存储代码和数据的设备的真实性,安全的非易失性存储器芯片可以为敏感工业网络的入侵提供硬件屏障。

工业4.0时代的闪存技术
的发展多年来,各种非易失性存储器技术在一个或另一个特性中声称优于闪存。但作为非易失性存储的现有的卓越技术,Flash具有以下优势:

  • 成千上万的应用证明

  • 可在大量产品配置中大量供货,为系统设计人员提供灵活的产品选择,供系统设计人员选择

  • 以世界领先的存储器IC制造商的资源为后盾,包括Winbond。这些制造商不断投资改进基本的闪存制造技术,封装,器件性能和功能。

现在,闪存产品制造商正在快速有效地响应工业4.0设备和系统制造商的新内存要求,推出针对成本,尺寸,性能,功耗或安全性进行了优化的新解决方案。

封装创新
半导体行业有利于实现尺寸和降低成本的方法是工艺缩减。对于工业4.0设备中使用的高端微控制器,CPU电路也是如此。如今,许多领先的MCU制造商正在寻求将设计从4xnm节点迁移到3xnm节点,以便从性能和成本改进中受益。然而,在3xnm节点,嵌入在MCU芯片中的NOR闪存电路实际上变得更多昂贵 - 缩小NOR闪存超过4xnm节点被证明是有问题的。但华邦正在与MCU制造商合作进行创新,以提供堆叠芯片解决方案,将3xnm工艺制造的MCU芯片与4xnm NOR闪存芯片组合在一个封装中,并提供最佳的占位面积,性能和代码存储容量组合。 - 工业设计。

电源创新
无线智能标签或标签越来越多地用于工业应用中,以提供实时监控数据,例如,持续记录运输过程中易腐货物或药品的温度和湿度条件。它们需要能够存储潜在的大量记录数据,但需要使用极其受限制的电池供电,甚至来自收集的能源。

为了支持使用极低电压电池或采集的电源,正在开发的分立式闪存IC的工作电压低于标准的1.8V低功耗电平,适用于外部闪存IC。例如,华邦以8引脚封装提供W25QxxNE 1.2V和W25QxxND扩展1.5V SpiFlash NOR闪存部件(参见图2)。这些器件提供最高52MB / s的数据传输速率,支持标准,双通道和四通道串行外设接口(SPI)和四通道外设接口(QPI)。

图2:采用2mm x 3mm USON8封装的Winbond 8Mbit 25Q80NEXIG 1.2V闪存IC。(图片来源:华邦电子)

性能创新
SPI NOR和串行NAND闪存是工业领域的核心技术,为代码和数据存储提供紧凑,低引脚数的解决方案。但是这些设备的传统串行架构可以作为数据读取和写入速度的限制因素,产生比等效并行闪存部件更慢的数据传输速率。 

现在,Winbond正在使用新的高性能串行NAND闪存技术进行创新。单级单元(SLC)NAND闪存在工业应用中提供高可靠性数据存储介质。但是在需要高数据传输速率的应用中,设计人员传统上使用NOR闪存,它提供的密度更低,因此比NAND闪存更高的每比特成本,但速度更快。

现在,华邦推出了W25N01JW,这是一款1Gbit串行NAND闪存部件,可提供83MB / s的最大数据传输速率 - 与SPI NOR闪存设备相当。更令人印象深刻的是,Winbond架构支持octo配置 - 双芯片双四串行接口,将数据传输速率提高一倍,最高可达166MB / s(参见图3)。

这足以支持要求苛刻的数据丰富的图形应用程序,为NOR闪存提供高容量,低成本的替代方案,密度超过512Mbits。W25N01JW符合汽车标准,正在开发车载仪表板系统,同样适用于工业自动驾驶汽车和AR / VR应用。


图3:W25N01JW串行NAND闪存器件的双四通道架构。(图片来源:华邦电子)

安全创新
工业4.0世界的普遍连接使设备面临恶意行为者侵入网络,危害用户隐私或窃取数据的风险。设计师可以采取许多措施来应对安全风险。一个重要的措施是硬件认证,以保证只有授权设备通过网络共享数据。

为了为关键软件(如启动代码ICfans)提供硬件认证,Winbond推出了W74M系列认证闪存解决方案。每个W74M器件都在一个多芯片模块中集成了一个SPI闪存和一个安全IC。该设备使用标准HMAC-SHA-256加密加速器和四个单调闪存计数器进行保护,这些计数器由各个密钥进行HMAC签名。W74M使系统设计人员能够为网络边缘或云外部的设备实现代码和数据存储的多层认证。

对存储在认证闪存中的代码或数据的访问受到安全密钥的保护,该密钥对于每个制造的单元是唯一的。在篡改或侵入网络的情况下,存储在认证闪存上的引导代码或数据将保持安全,不会被企图窃取,修改或损害它。

闪存技术不断发展以满足工业4.0的要求
代码和数据的非易失性存储是工业设备中众多功能元素之一,随着工业4.0趋向于更加强大的数字化和数据分析,需要更高的非易失性存储器容量,更高的速度,更低的功率和更低的成本也将加剧。

正如本文所展示的那样,SPI NOR和串行闪存类别的新产品开发有助于确保Flash技术在工业设备设计人员适应工业4.0时代时,仍然是其备受青睐的非易失性存储器选择。