IoTウェアラブルのパフォーマンスとセキュリティの向上

コネクテッドカー、ファクトリーオートメーション、スマートシティ、コネクテッドヘルス、ウェアラブルなど、多くのIoTアプリケーションでは、データとコードを保存するために不揮発性メモリが必要です。従来、組み込みアプリケーションはこの目的で外部フラッシュメモリを使用していました。

ただし、最新の半導体テクノロジは、より小さなジオメトリに移行するにつれてスケーリングとコストの問題に直面するため、ホストSoC内にフラッシュメモリを組み込むことがますます困難になっています。したがって、将来のMCUまたはSoCの設計は、システムインパッケージ（SiP）または外部フラッシュの使用を対象としています。この傾向は、フォームファクタが小さく、コストの制約が厳しく、電力に関連する要件が低いため、ウェアラブルなどのIoTアプリケーションのニーズに対応していません。

これらの問題に対処するために、フラッシュメモリメーカーはサイズと消費電力を最適化するアーキテクチャを開発しています。同時に、耐久性、信頼性、セキュリティ、安全性の向上をサポートする重要な新機能を導入しています。

メモリサイズ

レガシーおよび現世代のウェアラブルは、コードを保存するために低密度のNORフラッシュソリューションを必要としますが、アプリケーションがより複雑になり、より多くのデータをログに記録する必要があるため、より高密度になる必要があります。新しいセルアーキテクチャにより、より大きなメモリ容量が可能になります。たとえば、MirrorBitテクノロジーは、セルごとに2ビットを保存でき、最大4Gbの密度の製品をサポートします。この密度の増加により、従来のフローティングゲートNORフラッシュアーキテクチャと比較して、ダイサイズを20％から30％小さくすることができます。この小さいダイサイズにより、外部メモリのパッケージングの柔軟性も向上します。小さいダイサイズは、SiPソリューションまたはウェーハレベルチップスケールパッケージング（WLCSP）を備えた外部不揮発性メモリに適したオプションです。

より大きなメモリアレイへのアクセス速度をサポートするには、高速インターフェイスが必要です。たとえば、サイプレスのSemper NORフラッシュには、102 MB / sで実行されるQuadSPIプロトコルと、400 MB / sの速度で実行されるxSPIプロトコルがあります。高速インターフェースは、高性能IoTアプリケーションだけでなく、NORフラッシュからのインスタントオン機能とインプレース実行（XiP）を必要とするアプリケーションにも必要です。

図1.MirrorBitのようなテクノロジーは、メモリ密度を向上させるためにメモリメーカーによって開発されています。 （出典：サイプレス）

より大きなメモリサイズに加えて、新しいアーキテクチャもより柔軟です。コード、データ、およびデータロギングには、それぞれ異なるストレージ要件があります。開発者がセクターサイズを構成し、継続的なアドレス指定スキームを提供できる柔軟なセクターアーキテクチャにより、そこに格納されているコードまたはデータに最適な方法でメモリをセグメント化することが可能になります。

インプレース実行（XiP）

IoTデバイスがさまざまなアプリケーションや動作環境に拡大し続けるにつれて、安全性とセキュリティの要件も厳しくなります。コードを格納するメモリは、システムがメモリから起動し、センサーデータをログに記録し、XiP機能を実行できるようにする必要があります。これらの機能は、従来のNORフラッシュアーキテクチャでは簡単に実装できません。

内部RAMが外部NORフラッシュに接続されているアプリケーションプロセッサを備えた典型的なIoTアプリケーションについて考えてみます。これらのアプリケーションは、多くの場合、アプリケーションコードとデータをNORフラッシュメモリに保存し、電源投入時にNORフラッシュから内部RAMにすべてをダウンロードします。このユースケースは「ストアアンドダウンロード」（SnD）と呼ばれ、図2に示されています。アプリケーションプロセッサの内部RAM密度により、無線更新の高速化、表示パフォーマンスの向上、ネットワークの向上など、IoTシステムのパフォーマンスの向上が制限されます。スループット、改善されたオーディオパフォーマンス、SPI / UARTを介したセンサーフュージョン、および算術演算。内部RAM密度が制限されているため、このような改善にはBOMの変更が必要です。

図2.ストアとダウンロード（SnD）のユースケース。 （出典：サイプレス）

図3は、プロセッサが電源投入時にNORフラッシュからデータをコピーし、XiPを使用してNORフラッシュから直接コードを実行する方法を示しています。このアプローチでは、プロセッサはアプリケーションの改善に利用できるより多くの内部RAMを備えています。したがって、NORフラッシュによって有効化されたXiPを使用すると、パフォーマンスに影響を与えることなくIoTアプリケーションを改善できます。

図3.インプレース実行（XiP）のユースケース。 （出典：サイプレス）

通常、NORフラッシュは、耐久性と信頼性の問題があるため、ランダムな高速読み取りの目的でのみ使用されます。すべてのフラッシュメモリは、プログラム/消去サイクルの数が多いと物理的に劣化し、最終的にデバイスの障害につながる可能性があります。一部のIoTアプリケーションは、フラッシュデバイスで高い耐久性と高い保持力を必要とします。データの保持または耐久性が低いと、システムの機能に影響を与える可能性があります。

メモリメーカーは、アプリケーションがNORフラッシュを使用してデータロギングを実行できるように、耐久性を向上させる新しいアーキテクチャに取り組んでいます。たとえば、CypressのSemper FlashのEnduraFlexアーキテクチャは、Flashデバイスを複数のパーティションに分割できるようにすることでシステム設計を最適化します。各パーティションは、高耐久性または長期保持のいずれかのために独立して構成できます。頻繁なデータ書き込みの場合、通常のNORフラッシュデバイスの100,000サイクルと比較して、最大256万のプログラム/消去サイクルを提供するようにパーティションを構成できます。同様に、データの保持も最大25年まで改善できます。

安全とセキュリティ

コードと機密性の高いユーザーデータ（医療用ウェアラブルなど）は、安全性（つまり、データの破損を防ぐことによる信頼性の高い操作）とセキュリティ（つまり、ハッカーからデータを保護すること）の両方の観点から保護する必要があります。これを実現するために、メモリはよりスマートになり、組み込みArm Cortex-M0 CPUのようなプロセッサを統合して、複雑な安全性およびセキュリティ関連の組み込みアルゴリズムをチップ上で処理します（図4を参照）。これにより、信頼性が向上すると同時に、デバイスのパフォーマンス、安全性、セキュリティが向上します。

図4.ウェアラブル用の今日のNORフラッシュメモリは、より大きな容量と多くのセキュリティおよび安全機能を提供します。ここに示されているのは、サイプレスのSemperNORフラッシュメモリアーキテクチャです。 （出典：サイプレス）

統合プロセッサを備えたNORフラッシュは、エンドツーエンドのデータ整合性と保護を提供するさまざまな機能と診断をサポートすることもできます。 NORフラッシュは、従来のAdvanced Sector Protection（ASP）スキームと1 KB One-Time Programmable（OTP）リージョンをサポートしていますが、これらの機能は特定のIoTまたはウェアラブルアプリケーションには不十分です。 Advanced NOR Flashは、クラウドからフラッシュへのセキュリティ、セキュアなファームウェアオーバーザエア（FOTA）アップデート、セキュアな書き込み保護など、追加のエンドツーエンドのセキュリティソリューションを可能にします。

電力効率は、ウェアラブルのもう1つの重要な考慮事項です。ウェアラブルデバイスは、NORフラッシュデバイスの有効電力を非常に短時間使用する傾向があります。それ以外の場合、NORフラッシュデバイスはスタンバイモードまたはディープパワーダウンモードのままになります。また、ウェアラブルデバイスの大部分はバッテリー電源で動作します。これには、スタンバイ電流とパワーダウン電流が少ないNORフラッシュデバイスが必要です。現在のNORフラッシュメモリは、6.5 µAのオーダーの低スタンバイ電流と1 µAのオーダーのディープパワーダウン電流をサポートできます。

ウェアラブルデバイスは室温の環境で動作する傾向がありますが、一部のIoTアプリケーションは、極端な温度で確実に実行できる必要があります。これらのアプリケーションでは、-55°C〜 + 125°Cの周囲温度を処理できる産業用メモリを利用できます。

結論

ウェアラブルデバイスは、フォームファクター、電力、コストから安全性とセキュリティに至るまでの要件を備えた、将来のIoT市場の成長の重要な部分です。統合プロセッサなどのNORフラッシュテクノロジの進歩により、これらのメモリは、より高い密度、より低い電力、より高いセキュリティ、およびより優れたパフォーマンスを

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