智能購(gòu)物應(yīng)用中的存儲(chǔ)器——第一部分

當(dāng)今，物聯(lián)網(wǎng)(IoT)已對(duì)所有行業(yè)產(chǎn)生了影響，而且有望到2020年成為一個(gè)1.7萬(wàn)億美元的市場(chǎng)。IoT領(lǐng)域建立在云計(jì)算以及由移動(dòng)、虛擬和即時(shí)連接搭建的數(shù)據(jù)采集傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)之上。行業(yè)專家認(rèn)為，它將讓我們生活中的一切變得更加“智能”。IoT已經(jīng)滲透至各行各業(yè)：從工廠自動(dòng)化到點(diǎn)播娛樂(lè)和可穿戴設(shè)備。但在大多數(shù)情況下，這個(gè)龐大的智能設(shè)備互聯(lián)系統(tǒng)在改變我們的工作方式方面還未充分發(fā)揮其全部潛能。

IoT無(wú)疑是推動(dòng)半導(dǎo)體行業(yè)和嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的新動(dòng)力。它的誕生推升了市場(chǎng)對(duì)眾多新使能技術(shù)的需求，其中包括：

· 新一代超低功耗IC

· 全新的無(wú)線通信協(xié)議

· 分析及云計(jì)算用高級(jí)數(shù)據(jù)處理技術(shù)

隨著芯片朝著更小尺寸的工藝節(jié)點(diǎn)邁進(jìn)，此前相對(duì)不引人注目而現(xiàn)在變得愈發(fā)顯眼的一個(gè)半導(dǎo)體細(xì)分市場(chǎng)就是存儲(chǔ)器。物聯(lián)網(wǎng)及其艾字節(jié)數(shù)量級(jí)的數(shù)據(jù)流量正在推升市場(chǎng)對(duì)高性能、低功耗、超小封裝的存儲(chǔ)器的需求。IoT對(duì)半導(dǎo)體-尤其是存儲(chǔ)器的-強(qiáng)加的另一個(gè)約束就是安全性和可靠性要求。大量隱私信息將被存儲(chǔ)在可穿戴設(shè)備、服務(wù)器和其它物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)上。

過(guò)去十年來(lái)，存儲(chǔ)器領(lǐng)域被分為兩個(gè)截然不同的產(chǎn)品家族：即快速和低功耗存儲(chǔ)器，每個(gè)都有其自身的特性、應(yīng)用和定價(jià)。只要愿意犧牲功耗甚至尺寸，OEM就能找到高速度性能的存儲(chǔ)器產(chǎn)品。對(duì)于需要低功耗的易失性和非易失性存儲(chǔ)器而言，反之亦然。

但是， IoT 改變了市場(chǎng)對(duì)存儲(chǔ)器的要求?，F(xiàn)在的需求是高性能、低功耗器件。這些器件被要求能夠使用便攜式電源執(zhí)行復(fù)雜的運(yùn)算。它們還必需盡量縮減引腳數(shù)量和外形尺寸。通過(guò)內(nèi)置深度關(guān)機(jī)、深度睡眠等低功耗模式，同時(shí)提供一代高于一代的性能(即時(shí)鐘頻率和特性集)，微控制器已可以滿足這些要求。為了與微控制器保持同步，存儲(chǔ)器一定不能讓設(shè)計(jì)人員擔(dān)憂性能和功耗之間的取舍。

本文將聚焦于存儲(chǔ)器在已受IoT影響的一個(gè)領(lǐng)域―零售購(gòu)物領(lǐng)域中的發(fā)展趨勢(shì)。在借助IoT給消費(fèi)者帶來(lái)便利方面，這個(gè)2萬(wàn)億美元的市場(chǎng)蘊(yùn)含著巨大潛力。零售是世界上競(jìng)爭(zhēng)最為激烈的行業(yè)之一，數(shù)百萬(wàn)個(gè)零售商爭(zhēng)奪一個(gè)成熟客戶群，因此利潤(rùn)率很低。大型商場(chǎng)已經(jīng)開(kāi)始利用物聯(lián)網(wǎng)吸引客戶，為他們提供個(gè)性化購(gòu)物體驗(yàn)。零售商正在整合商場(chǎng)中的所有設(shè)備、公司總部云端資源。最終目標(biāo)是一個(gè)互聯(lián)商場(chǎng)，它能夠利用所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行促銷、打造客戶忠誠(chéng)度、管理庫(kù)存和提升運(yùn)營(yíng)效率。

當(dāng)今的消費(fèi)者正在廣泛使用互聯(lián)網(wǎng)影響他們的購(gòu)物決策：從研究產(chǎn)品到網(wǎng)上購(gòu)物再到評(píng)論產(chǎn)品。在利用互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行購(gòu)物方面，零售商已經(jīng)落后于消費(fèi)者。為了跟上消費(fèi)者的步伐，零售商正在關(guān)聯(lián)零售的物理和在線層面，從而讓每一次互動(dòng)都有回報(bào)，以便讓他們的商場(chǎng)變得更加“智能”。

智能POS終端

IoT已給零售領(lǐng)域帶來(lái)的一個(gè)顯著影響就是智能銷售點(diǎn)(POS)終端。POS終端在某種意義上就是零售商使用IoT的中心節(jié)點(diǎn)。很多領(lǐng)先的“智能”商場(chǎng)利用POS數(shù)據(jù)了解客戶的購(gòu)物趨勢(shì)，實(shí)時(shí)追蹤庫(kù)存，并幫助在線購(gòu)物者準(zhǔn)確確定產(chǎn)品的本地存貨情況。它們還能幫助零售商根據(jù)客戶購(gòu)買特定物品的頻率為他們提供定制建議。

為了追蹤購(gòu)物者的購(gòu)物統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，智能POS終端需要連接掃描儀。這意味著智能POS終端必須處理數(shù)倍于傳統(tǒng)POS終端所處理的數(shù)據(jù)。很多最新型號(hào)的智能POS終端采用了主頻達(dá)到Ghz級(jí)別的最新的ARM處理器。與此同時(shí)，這些終端大多是由電池供電的便攜式設(shè)備，換句話說(shuō)，這些系統(tǒng)需要盡可能地少用電。此外，由于所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是高度個(gè)人化的數(shù)據(jù)，因此要求最高級(jí)別的數(shù)據(jù)完整性，即需要使用比傳統(tǒng)終端更為嚴(yán)格的加密標(biāo)準(zhǔn)。最后，還要采用所有POS終端都采用的標(biāo)準(zhǔn)的故障安全技術(shù)(如lockout模式)。

POS終端采用多種類型的存儲(chǔ)器：用于非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的閃存，用于高速緩存的DRAM，以及用于微控制器存儲(chǔ)擴(kuò)展和電池備份配置數(shù)據(jù)日志的SRAM。有時(shí)甚至?xí)褂靡粋€(gè)外置的MMC。圖1顯示了一個(gè)典型POS終端設(shè)計(jì)的框圖，為了滿足智能POS終端的要求，存儲(chǔ)器應(yīng)提供最高的可靠性和足夠的帶寬。不僅如此，為了滿足便攜要求，存儲(chǔ)器還必須具備低功耗、小尺寸的特點(diǎn)。

過(guò)去，存儲(chǔ)器的發(fā)展一直試圖結(jié)合快速的存取速度、低功耗和小尺寸特性。但是，隨著Octi-SPI、HyperBus™等新一代低引腳數(shù)接口的問(wèn)世，現(xiàn)在出現(xiàn)了能夠媲美甚至超過(guò)快速存取式存儲(chǔ)器的帶寬，同時(shí)匹敵低功耗存儲(chǔ)器的功耗，并使用最低數(shù)量的微控制器引腳的存儲(chǔ)器。從微控制器傳承到SRAM等存儲(chǔ)器的另一項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)就是引入了深度睡眠模式。例如，賽普拉斯的PowerSnooze™ SRAM就是一種深度睡眠能效媲美Micropower SRAM的Fast SRAM。

圖1. 這是現(xiàn)代POS終端的框圖。所使用的存儲(chǔ)器包括閃存、SRAM、DRAM和SD/MMC插槽。

讓我們比較一下兩種常用SRAM-Fast和Micropower，以及具備深度睡眠模式的Fast SRAM的功耗和存取時(shí)間。

通過(guò)結(jié)合快速存取和深度睡眠特性，這些存儲(chǔ)器能夠媲美SRAM的速度和低功耗SRAM的能效。在SRAM在大多數(shù)時(shí)間處于待機(jī)狀態(tài)的應(yīng)用中，這種結(jié)合的優(yōu)勢(shì)更加顯著。

在使用SRAM記錄配置數(shù)據(jù)的一個(gè)典型POS終端中，SRAM的運(yùn)行時(shí)間只占總工作時(shí)間的20%。如果這個(gè)SRAM是工作電壓為3.3V的Fast SRAM，它工作時(shí)將消耗120瓦時(shí)(WH)的電能，待機(jī)時(shí)將消耗80 WH的電能，總能耗為200 WH。如果是一個(gè)具備深度睡眠模式的Fast SRAM，工作時(shí)仍消耗120 WH的電能，但待機(jī)時(shí)能耗降至0.06 WH，因此總能耗約為121 WH。在這個(gè)具體的例子中，深度睡眠選項(xiàng)將能耗降低了40%。

對(duì)于一顆240mAH的板載紐扣電池而言，一個(gè)處于待機(jī)狀態(tài)的16Mb Fast SRAM將能讓電池續(xù)航超過(guò)12小時(shí)，而一個(gè)處于待機(jī)狀態(tài)的低功耗SRAM將能讓電池續(xù)航超過(guò)3年，但后者的局限是存儲(chǔ)速度較慢。此時(shí)，一個(gè)具備深度睡眠模式的Fast SRAM與低功耗SRAM相比優(yōu)勢(shì)顯著，其帶寬是后者的4倍多(即10ns存取時(shí)間vs. 45ns存取時(shí)間)，而且沒(méi)有功耗代價(jià)。盡管如此，無(wú)論是MCU或SRAM，使用深度睡眠模式時(shí)應(yīng)考慮一個(gè)因素：進(jìn)入和退出深度睡眠模式的時(shí)間。如果兩個(gè)工作周期之間的時(shí)間間隔與SRAM進(jìn)入或退出深度睡眠模式所用時(shí)間相比太短，那么這種方法將會(huì)無(wú)用。例如，對(duì)于賽普拉斯出品的具備深度睡眠模式的Fast SRAM而言，這個(gè)時(shí)間間隔是300 µs(最大)。這可能是推廣具備深度睡眠模式的Fast SRAM的最大障礙。

存儲(chǔ)器領(lǐng)域的另一個(gè)有趣趨勢(shì)是：隨著閃存變得越來(lái)越快，對(duì)高速緩存的需求正在發(fā)生改變。 很多需要RAM的微控制器工藝現(xiàn)在可以利用XIP(Execute In Place)在閃存上實(shí)現(xiàn)。這意味著RAM越來(lái)越多被用于擴(kuò)展內(nèi)存或電池系統(tǒng)備份。與此同時(shí)，已被運(yùn)用于這兩種應(yīng)用的SRAM正在增加容量選擇。換句話說(shuō)，傳統(tǒng)上首選的DRAM正變得越來(lái)越不重要，因?yàn)榫拖袢萘扛?、速度更快、功耗更低的閃存可以滿足大型存儲(chǔ)的需求那樣，容量更高、功耗更低、尺寸更小的SRAM也可以滿足小型存儲(chǔ)的需求。，

其它組件

用于構(gòu)筑智能購(gòu)物體驗(yàn)的還有很多其它組件：各種類型的傳感器、電子貨架標(biāo)簽及信標(biāo)、存儲(chǔ)設(shè)備以及用于處理所采集數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)處理終端。在一篇文章中探討所有這些設(shè)備的應(yīng)用和內(nèi)存需求難度很大。我計(jì)劃在近期探討這些設(shè)備的內(nèi)存需求。但是，基本的要求不變，即低功耗、高速、小尺寸和高可靠性。