工業(yè)4.0時代，閃存會如何演進(jìn)？

第四次工業(yè)革命 (也就是所謂的工業(yè)4.0) 是指大規(guī)模的將工業(yè)設(shè)備與作業(yè)生產(chǎn)流程作智能化整合。對于所有重要的電子器件和機(jī)器設(shè)備而言，都在工業(yè)4.0的范疇之內(nèi)。

非揮發(fā)性內(nèi)存也不例外，在工業(yè)4.0的發(fā)產(chǎn)趨勢之下，非揮發(fā)性內(nèi)存也面臨5項(xiàng)重要的考驗(yàn)來滿足設(shè)計(jì)的需求:

• 成本

• 芯片大小

• 速度

• 功耗

• 安全性

雖然有其它不同新興的非揮發(fā)內(nèi)存技術(shù)仍然正在發(fā)展，現(xiàn)今發(fā)展已久的閃存技術(shù)已被證實(shí)為最適合面臨這些挑戰(zhàn)。這篇文章將說明目前閃存的創(chuàng)新技術(shù)如何幫助系統(tǒng)研發(fā)人員利用新的設(shè)計(jì)已符合工業(yè)4.0的應(yīng)用。

工業(yè)4.0的需求

全球著名的商業(yè)管理顧問公司麥肯錫對于工業(yè)4.0的定義 是對于工業(yè)制造的數(shù)字化, 并由以下4個項(xiàng)目驅(qū)動:

1. 巨量數(shù)據(jù)的產(chǎn)生與搜集，處理器運(yùn)算與連接能力，特別是在低功耗的廣域網(wǎng)(LPWAN) 應(yīng)用。

2. 分析與商業(yè)智能 (Business Intelligence，簡稱：BI) 的能力提升。

3. 新形態(tài)的人機(jī)接口出現(xiàn)，像是觸控與擴(kuò)增實(shí)境 (AR)。

4. 數(shù)字指令轉(zhuǎn)換到現(xiàn)實(shí)世界的進(jìn)步，例如機(jī)器人學(xué)和3D打印。

工業(yè)4.0的設(shè)備由于不斷電的持續(xù)操作與具備連網(wǎng)能力，具備有產(chǎn)生巨量數(shù)據(jù)與利用大數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，低功耗廣域網(wǎng) (LPWAN) 普遍應(yīng)用在工廠、倉庫等工業(yè)園區(qū)，整個供應(yīng)鏈將能夠?qū)崟r的使用軟件來分析儲存在云端的巨量數(shù)據(jù)如產(chǎn)品、庫存、資產(chǎn)等狀況。

大量的傳感器布署將會是支撐此數(shù)字化爆炸性成長的動能，例如可透過無線通信傳輸來存取的RFID智能標(biāo)記。 這些傳感器裝置通常由電池供電或是藉由能量采集 (energy harvesting) 的方式來提供操作電源，因此會需要有極低功耗的閃存來儲存歷史數(shù)據(jù)紀(jì)錄。

新的控制技術(shù)要應(yīng)用在工業(yè)設(shè)備又會是完全不同的挑戰(zhàn)，現(xiàn)今在公共道路測試的無人車駕駛技術(shù)，也應(yīng)用在工廠和倉庫中，以達(dá)到增加效率及免除人為駕駛操作的危險性。工業(yè)用的無人駕駛車已經(jīng)布署在不同應(yīng)用像是堆高機(jī)和電動運(yùn)輸車。(如下圖1)

Fig. 1: the autonomous Linde R-MATIC reach truck transports palletized goods of up to 1.6 tons fully automatically to high-bay racks. (Image credit: Linde)

最廣為人知應(yīng)用在消費(fèi)性產(chǎn)品的技術(shù)如虛擬現(xiàn)實(shí) (VR) 和擴(kuò)增實(shí)境 (AR) ，同樣地也為工業(yè)應(yīng)用提供潛在的應(yīng)用價值，像是提供操作上的協(xié)助應(yīng)用在人工生產(chǎn)線、設(shè)備保養(yǎng)和維修等。

這些高度精密的應(yīng)用將必須仰賴相對容量較大的軟件程序編碼來執(zhí)行，遠(yuǎn)超過于現(xiàn)今一般的工業(yè)應(yīng)用。 這也將為那些工業(yè)系統(tǒng)開發(fā)人員帶來設(shè)計(jì)上的壓力，面臨如何去選擇更高容量的儲存內(nèi)存而可以不相對的增加料件成本和組件本身的尺寸。

最后，對于所有工業(yè)4.0設(shè)備的共通特點(diǎn)就是網(wǎng)絡(luò)連接性。然而網(wǎng)絡(luò)的連接本身就存在著被駭?shù)娘L(fēng)險問題。具有安全性功能的閃存就像是提供硬件保護(hù)屏障，讓工業(yè)設(shè)備所鏈接的網(wǎng)絡(luò)能保障此設(shè)備本身操作的安全性而不被竄改。

閃存的技術(shù)演進(jìn)在工業(yè)4.0世代

近幾年新興的非揮發(fā)性內(nèi)存技術(shù)不斷的宣稱部分特性能超越現(xiàn)有普遍使用的閃存。然而在現(xiàn)今普遍使用的閃存具有以下的優(yōu)點(diǎn):

• 工程人員開發(fā)熟悉性

• 技術(shù)可靠度已在各種不同應(yīng)用產(chǎn)品被大量驗(yàn)證

• 具有多種產(chǎn)品選擇性可符合不同應(yīng)用的需求

• 由世界各內(nèi)存領(lǐng)導(dǎo)廠商(例如.華邦電)持續(xù)投入研發(fā)制程與新功能研發(fā)

如今各家閃存的制造商也加快腳步來快速反應(yīng)工業(yè)4.0的設(shè)備和系統(tǒng)對新的內(nèi)存需求, 包含成本， 芯片大小， 效能，功耗與安全性。

在封裝方面的創(chuàng)新

半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)一般透過制程演進(jìn)達(dá)到降低芯片的大小和成本。使用在工業(yè)4.0設(shè)備的高階微處理器就像是中央處理單元。為了效能和改善成本，許多知名的微處理器廠商都在尋找制程演進(jìn)從55奈米或40奈米轉(zhuǎn)換到28奈米，或是更先進(jìn)的制程。然而在先進(jìn)制程中，使用嵌入式NOR閃存是一件非常昂貴的事情，且要把NOR閃存微縮到4x奈米以下已經(jīng)證實(shí)是會有諸多問題待解決。華邦已經(jīng)和許多微處理器的廠商透過堆棧芯片的方式來解決這個問題，將28奈米的微處理器與58奈米的NOR閃存封裝在一起。對高階的工業(yè)設(shè)計(jì)這樣的結(jié)合提供優(yōu)化了IC腳位數(shù)目，效能與搭配性高的閃存容量。

功耗方面的創(chuàng)新

為了實(shí)時提供監(jiān)測數(shù)據(jù)，智能無線卷標(biāo)與貨牌被大量的使用在工業(yè)應(yīng)用，像是在運(yùn)送路途中不斷的紀(jì)錄這些容易腐壞的食物與藥物的溫度跟濕度。這些無線裝置必需要能夠長時間儲存數(shù)據(jù)透過容量有限的電池或是能量捕獲。

為了要能支持這些容量不高的電池和從能量捕獲到的有限電量，外掛式的閃存正在開發(fā)使用低于一般1.8V電源的操作方式。像是華邦電子提供的 W25QxxND系列產(chǎn)品可操作在1.14V到1.6V的電源，提供僅8支腳位的封裝 (如圖2)，可支持一般標(biāo)準(zhǔn)/雙/四腳位輸出入的SPI串行接口達(dá)到最高52MB/s的傳輸率。

Fig. 2: the Winbond 8Mbit 25Q80NEXIG 1.2V Flash IC in a 2mm x 3mm USON8 package. (Image credit: Winbond)

效能上的創(chuàng)新

SPI接口的NOR和NAND閃存是閃存的核心，對于數(shù)據(jù)和程序代碼的儲存，提供小型封裝、低腳位數(shù)的解決方案。但是傳統(tǒng)的序列架構(gòu)卻限制了數(shù)據(jù)的傳輸速度，數(shù)據(jù)傳輸量相對慢于并列式的閃存。

華邦電正在開發(fā)創(chuàng)新的高效能序列SPI NAND閃存技術(shù)。單層SLC NAND為工業(yè)應(yīng)用提供高可靠度的儲存媒介。但是當(dāng)在需要高數(shù)據(jù)傳輸率的應(yīng)用時，研發(fā)人員會選擇使用速度較快的NOR Flash，但是NOR Flash相對容量較小所以每單位儲存成本會比NAND貴上許多。

現(xiàn)在華邦電已經(jīng)推出1Gb的序列SPI NAND，W25N01JW，提供相當(dāng)于SPI NOR最高到83MB/s的數(shù)據(jù)傳輸率。更令人驚訝的是，華邦電使用可支持8 I/O的設(shè)計(jì)架構(gòu)，在兩個序列SPI NAND Flash使用dual quad的SPI接口，來達(dá)到兩倍的數(shù)據(jù)傳輸率166MB/s。(如圖3)

相對于使用容量大于512Mbit的NOR flash，這樣新的 SPI NAND架構(gòu)可以提供高儲存容量和低成本的解決方案，也足夠應(yīng)付對于數(shù)據(jù)傳輸量要求高的圖形應(yīng)用。W25N01JW正在開發(fā)適用在汽車上的認(rèn)證，可使用在汽車的儀表板，工業(yè)用無人駕駛載具，AR和VR等應(yīng)用。

Fig. 3: the dual quad architecture of the W25N01JW serial NAND Flash device. (Image credit: Winbond)

安全性的創(chuàng)新

惡意病毒與程序讓大量連上網(wǎng)絡(luò)的工業(yè)4.0裝置暴露在危險中，讓用戶的隱私和數(shù)據(jù)備受威脅。現(xiàn)今有許多方法讓研發(fā)人員去應(yīng)對這些安全性的風(fēng)險，透過硬件上的認(rèn)證是一個較安全的方式，這能確保只有被授權(quán)的裝置可以在網(wǎng)絡(luò)上共享數(shù)據(jù)。

為了替關(guān)鍵的軟件像是開機(jī)程序提供硬件認(rèn)證保護(hù)，華邦電推出了W74M這一系列的安全性閃存解決方案。此原件具有標(biāo)準(zhǔn)的HMAC-SHA-256加密加速器和單向性計(jì)數(shù)器的算法所產(chǎn)生的一次性密鑰。W74M可讓系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)人員在網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)和云端上的裝置導(dǎo)入多階層的交互認(rèn)證。

閃存演化滿足工業(yè)4.0需求

在非揮發(fā)性內(nèi)存儲存開機(jī)程序與數(shù)據(jù)是工業(yè)設(shè)備的所需功能之一，工業(yè)4.0在數(shù)字化與快速數(shù)據(jù)分析需求的增長趨勢下，非揮發(fā)性內(nèi)存將必須滿足更快速、高容量、低耗電、低成本這些需求。

如此篇文章所述，在工業(yè)4.0的時代的到來，持續(xù)開發(fā)中的序列SPI 閃存將維持在這領(lǐng)域應(yīng)用的領(lǐng)導(dǎo)地位，并為研發(fā)人員帶來創(chuàng)新的系統(tǒng)設(shè)計(jì)價值。