Amélioration des performances et de la sécurité des wearables IoT

De nombreuses applications IoT - y compris les voitures connectées, l'automatisation d'usine, la ville intelligente, la santé connectée et les appareils portables - nécessitent une mémoire non volatile pour stocker les données et le code. Traditionnellement, les applications embarquées utilisaient une mémoire Flash externe à cette fin.

Cependant, comme la technologie moderne des semi-conducteurs est confrontée à des défis d'échelle et de coût à mesure qu'elle évolue vers des géométries plus petites, il est devenu de plus en plus difficile d'intégrer la mémoire Flash dans le SoC hôte. Par conséquent, les futures conceptions de MCU ou de SoC ciblent le système en boîtier (SiP) ou l'utilisation de Flash externe. Cette tendance ne répond pas aux besoins des applications IoT telles que les appareils portables en raison de leur petit facteur de forme, des contraintes de coûts strictes et des exigences liées à la faible consommation.

Pour résoudre ces problèmes, les fabricants de mémoire Flash développent des architectures qui optimisent la taille et la consommation d'énergie. Dans le même temps, ils introduisent de nouvelles fonctionnalités importantes qui prennent en charge une plus grande endurance, fiabilité, sécurité et sûreté.

Taille de la mémoire

Les appareils portables hérités et de la génération actuelle nécessitent des solutions flash NOR à faible densité pour stocker le code, mais ils ont besoin de densités plus élevées qui augmenteront à mesure que les applications deviennent plus complexes et qu'elles doivent enregistrer plus de données. Les nouvelles architectures cellulaires permettent une plus grande capacité de mémoire. Par exemple, la technologie MirrorBit peut stocker deux bits par cellule et prend en charge les produits jusqu'à 4 Go de densité. Cette augmentation de la densité permet une taille de puce 20 à 30 % plus petite par rapport aux architectures Flash NOR à grille flottante traditionnelles. Cette taille de puce plus petite augmente également la flexibilité d'emballage pour la mémoire externe. Une taille de puce plus petite est une option appropriée pour les solutions SiP ou une mémoire non volatile externe avec un emballage d'échelle de puce au niveau de la tranche (WLCSP).

Pour prendre en charge la vitesse d'accès à la plus grande matrice de mémoire, une interface haute vitesse est requise. Le Semper NOR Flash de Cypress, par exemple, possède un protocole Quad SPI fonctionnant à 102 Mo/s et un protocole xSPI fonctionnant à une vitesse de 400 Mo/s. Des interfaces haute vitesse sont nécessaires pour les applications IoT hautes performances ainsi que pour les applications qui nécessitent une capacité de mise en marche instantanée et d'exécution sur place (XiP) à partir de la mémoire flash NOR.

Figure 1. Des technologies telles que MirrorBit sont développées par les fabricants de mémoires pour améliorer la densité de la mémoire. (Source :Cypress)

En plus d'une plus grande taille de mémoire, les nouvelles architectures sont également plus flexibles. Le code, les données et l'enregistrement des données ont chacun des exigences de stockage différentes. Avec une architecture de secteur flexible qui permet aux développeurs de configurer la taille du secteur et de fournir un schéma d'adressage continu, il devient possible de segmenter la mémoire d'une manière qui correspond le mieux au code ou aux données qui y sont stockées.

Exécuter sur place (XiP)

Alors que les appareils IoT continuent de s'étendre à une plus grande variété d'applications et d'environnements d'exploitation, les exigences en matière de sûreté et de sécurité deviennent également plus strictes. La mémoire qui stocke le code doit permettre au système de démarrer à partir de la mémoire, d'enregistrer les données du capteur et d'exécuter les fonctions XiP. Ces fonctions ne sont pas faciles à mettre en œuvre avec une architecture flash NOR traditionnelle.

Considérez une application IoT typique avec un processeur d'applications doté d'une RAM interne connectée à une mémoire flash NOR externe. Ces applications stockent souvent le code et les données de l'application dans la mémoire flash NOR et téléchargent tout de la flash NOR vers la RAM interne à la mise sous tension. Ce cas d'utilisation s'appelle « Store and Download » (SnD), qui est illustré à la Figure 2. La densité de RAM interne des processeurs d'application limite les améliorations des performances du système IoT telles que des mises à jour sans fil plus rapides, des performances d'affichage améliorées, une mise en réseau accrue. débit, performances audio améliorées, fusion de capteurs sur SPI/UART et opérations arithmétiques. De telles améliorations nécessitent une modification de la nomenclature en raison de la densité de RAM interne limitée.

Figure 2. Cas d'utilisation du stockage et du téléchargement (SnD). (Source :Cypress)

La figure 3 montre comment le processeur peut copier les données de la NOR Flash et exécuter le code avec XiP directement à partir de la NOR Flash lors de la mise sous tension. Avec cette approche, le processeur dispose de plus de RAM interne disponible pour l'amélioration des applications. Par conséquent, l'utilisation de XiP activé par NOR Flash permet d'améliorer les applications IoT sans aucun impact sur les performances.

Figure 3. Cas d'utilisation de l'exécution sur place (XiP). (Source :Cypress)

En règle générale, le flash NOR est utilisé à des fins de lecture rapide aléatoire uniquement en raison de problèmes d'endurance et de fiabilité. Toute la mémoire flash est sujette à une dégradation physique à un nombre élevé de cycles de programmation/effacement qui peut éventuellement conduire à une défaillance de l'appareil. Certaines applications IoT nécessitent une endurance élevée et une rétention élevée dans les périphériques flash ; une rétention ou une endurance plus faible des données peut affecter la fonctionnalité du système.

Les fabricants de mémoire travaillent sur de nouvelles architectures qui améliorent l'endurance afin que les applications puissent désormais effectuer l'enregistrement de données avec NOR flash. Par exemple, l'architecture EnduraFlex du Semper Flash de Cypress optimise la conception du système en permettant de diviser un périphérique Flash en plusieurs partitions. Chaque partition peut être configurée indépendamment pour une endurance élevée ou une rétention longue. Pour les écritures de données fréquentes, une partition peut être configurée pour fournir jusqu'à 2,56 millions de cycles de programmation/effacement par rapport à 100 000 cycles dans un périphérique flash NOR typique. De même, la conservation des données peut également être améliorée, jusqu'à 25 ans.

Sûreté et sécurité

Le code et les données utilisateur sensibles (comme avec un appareil médical portable) doivent être sécurisés, à la fois en termes de sécurité (c'est-à-dire, fonctionnement fiable en empêchant la corruption des données) et de sécurité (c'est-à-dire, protection des données contre les pirates). Pour y parvenir, les mémoires deviennent de plus en plus intelligentes et intègrent des processeurs tels que le processeur Arm Cortex-M0 embarqué pour gérer des algorithmes embarqués complexes liés à la sécurité et à la sécurité sur puce (voir Figure 4). Cela améliore la fiabilité tout en contribuant à améliorer les performances, la sûreté et la sécurité de l'appareil.

Figure 4. Les mémoires Flash NOR d'aujourd'hui pour wearables offrent une plus grande capacité ainsi que de nombreuses fonctionnalités de sécurité et de sûreté. L'architecture de mémoire Flash Semper NOR de Cypress est illustrée ici. (Source :Cypress)

Avec un processeur intégré, NOR Flash est également capable de prendre en charge une variété de fonctionnalités et de diagnostics qui assurent l'intégrité et la protection des données de bout en bout. NOR Flash prend en charge les schémas traditionnels de protection du secteur avancé (ASP) ainsi qu'une région OTP (One-Time Programmable) de 1 Ko, mais ces fonctionnalités ne sont pas suffisantes pour certaines applications IoT ou portables. Advanced NOR Flash permet des solutions de sécurité de bout en bout supplémentaires, y compris la sécurité cloud-à-flash, les mises à jour sécurisées du micrologiciel sans fil (FOTA) et la protection en écriture sécurisée.

L'efficacité énergétique est une autre considération importante pour les appareils portables. Les appareils portables ont tendance à utiliser la puissance active des flashes NOR pendant très peu de temps. À tous les autres moments, le périphérique flash NOR reste en mode veille ou en mode de mise hors tension profonde. De plus, la majorité des appareils portables fonctionnent sur batterie. Cela nécessite un dispositif flash NOR avec un faible courant de veille et de mise hors tension profonde. Les mémoires Flash NOR d'aujourd'hui peuvent prendre en charge un faible courant de veille de l'ordre de 6,5 µA et un courant de mise hors tension profonde de l'ordre de 1 µA.

Même si les appareils portables ont tendance à fonctionner dans des environnements à température ambiante, certaines applications IoT doivent pouvoir fonctionner de manière fiable à des températures extrêmes. Pour ces applications, des mémoires industrielles sont disponibles et peuvent supporter des températures ambiantes de -55°C à +125°C.

Conclusion

Les appareils portables sont une partie importante de la croissance future du marché de l'IoT, avec des exigences allant du facteur de forme, de la puissance et du coût à la sûreté et à la sécurité. Grâce aux avancées de la technologie NOR Flash, telles qu'un processeur intégré, ces mémoires peuvent fournir une densité plus élevée, une puissance réduite, une sécurité plus élevée et des performances supérieures dans le