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重新思考物聯(lián)網(wǎng)和可穿戴存儲設(shè)備的設(shè)計(jì)

作者: 時間:2017-01-21 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

  幾十年來,我們對漫畫書和科幻小說中常常出現(xiàn)的腕式對講機(jī)非常熟悉,而工程師們實(shí)現(xiàn)這一技術(shù)要比作家憑空想出這一場景困難得多。直到今天,它們才逐漸走進(jìn)我們的生活。如果當(dāng)下無處不在的智能手機(jī)是《星際迷航》所幻想出來的溝通工具,那么(例如智能手表、健身腕帶或是將我們的手指變成手勢控制器的指環(huán)),則最終能將最新的高科技帶給大眾。但并不僅僅是現(xiàn)有移動設(shè)備的演變,它的物理尺寸和電路要求與智能手機(jī)有著極大的不同,這讓它們屬于完全不同的硬件類別。物理尺寸、電池容量和使用環(huán)境(防水防震等特性對來說要重要得多)的差異意味著可穿戴設(shè)備在設(shè)計(jì)上具有不同的要求和局限性。設(shè)計(jì)師不能寄希望于僅僅改變現(xiàn)有智能手機(jī)的尺寸就能得到可供使用的智能手表。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/201701/343175.htm

  想要了解這種不同,只需對比兩種在各自領(lǐng)域領(lǐng)先的不同產(chǎn)品,以Pebble智能手表和iPhone 5S為例:在封裝密度方面,前者的外殼僅為43×34毫米,約是4英寸屏幕iPhone手機(jī)表面積的1/5。在10毫米厚的外殼內(nèi),Pebble的設(shè)計(jì)師必須讓其容納下一個2.3英寸的LED顯示屏和包含存儲器、系統(tǒng)芯片控制器、各種傳感器、藍(lán)牙芯片和電池的電路板。所有組件都被設(shè)計(jì)在一個雙面電路板上,相關(guān)組件和連接的空間極其有限,但對于消費(fèi)者來說,手表自然是越薄越好。

  對于可穿戴設(shè)備的設(shè)計(jì)要求并不止步于封裝。由于容納電池的空間有限,產(chǎn)品在運(yùn)行和待機(jī)模式下均需極為省電,但又需支持藍(lán)牙通信,可立刻啟動,還要能無縫運(yùn)行用戶設(shè)定的應(yīng)用程序。沒有人會僅僅為了看時間而購買智能手表,但與漫畫書不同的是,很少有人希望用智能手表、互聯(lián)眼鏡或健身腕帶來取代智能手機(jī),這在某種程度上降低了設(shè)計(jì)的難度。而智能手機(jī)也正在發(fā)展成為多用途中心,可支持、連接越來越多的可穿戴設(shè)備。這也意味著大多數(shù)可穿戴設(shè)備都不需要大容量永久性存儲或快速的多核處理器。因此,綜合考慮容量、尺寸和用電量要求,可穿戴設(shè)備是使用NOR閃存的理想平臺。

  回到未來:NOR閃存最適用于可穿戴設(shè)備

  在智能手機(jī)能夠存儲一季里值得收藏的電視秀或完整音樂庫之前,當(dāng)手機(jī)還只是部電話時, NOR閃存曾是手機(jī)首選的永久性存儲介質(zhì)。NAND成序列地存儲多個比特(bit),通過犧牲隨機(jī)存取的方式來獲得密度和寫入速度,而NOR則更像傳統(tǒng)的DRAM——可以分別讀寫每一個存儲單元,而不是一次讀寫整個塊。這意味著NOR適用于可在本地執(zhí)行而無需首先復(fù)制到另外的RAM緩存的應(yīng)用程序代碼。隨機(jī)存取還意味著NOR閃存具備高速寫入速度——對于串行設(shè)計(jì)(串行外設(shè)接口)可高達(dá)20MB/s,對于并行NOR設(shè)計(jì)可高達(dá)250MB/s。

  在可穿戴設(shè)備中使用NOR閃存而不是NAND具有明顯的益處。NOR閃存的直接代碼執(zhí)行能力可顯著縮短啟動時間,可以讓設(shè)備立刻啟動。同樣,代碼執(zhí)行無需RAM就意味著待機(jī)時的用電量大大減少,因此在可穿戴設(shè)備必須使用微型電池的條件下,設(shè)備的使用時間可以得到延長。

  由于可穿戴設(shè)備一般會連接到另一個設(shè)備上,通過該設(shè)備連接互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)和數(shù)據(jù)庫,所以它們無需存儲太多本地數(shù)據(jù)。相對音頻和視頻文件的大小而言,就算是一整天的健康和健身測量數(shù)據(jù)都是極小的。鑒于可穿戴設(shè)備中的空間十分有限,NOR閃存容量與芯片尺寸比NAND更適合于應(yīng)用程序的需求。

  第二點(diǎn)可能會讓人感到意外,因?yàn)镹AND閃存陣列的密度要大大高于NOR。實(shí)際上,由于NAND閃存針對最大密度設(shè)計(jì),所以產(chǎn)品一般會使用最小工藝節(jié)點(diǎn),目前為16nm 。但問題是,除了存儲單元之外,所有存儲器器件都有一定的電路開銷,例如行地址解碼器、感應(yīng)放大器、位線控制電路、外圍I/O電路、電壓調(diào)節(jié)器和I/O針腳等子系統(tǒng)。芯片上的開銷區(qū)并不與存儲容量成線性增加??s減存儲陣列的尺寸后,芯片上用于外圍邏輯的空間只會少量增加。這意味著即使使用上一代的25nm工藝尺寸,最小可行的NAND器件也是1Gbit。這對于大多數(shù)可穿戴應(yīng)用都是無法接受的,因?yàn)槭袌鲋饕枰氖?12Mbit或更小的存儲器件。

  針對特定制程尺寸縮減NAND容量的局限性也讓封裝后的尺寸對于許多可穿戴應(yīng)用來說過大。例如,用作某些應(yīng)用的NOR替代品的1Gbit串行NAND采用了9×11毫米63球柵陣列封裝方式。與之相反,最小的串行NOR 512Mbit和1Gbit NOR產(chǎn)品采用4或5×6毫米封裝方式,不到NAND替代品的1/3,因此更適合于可穿戴設(shè)備和生態(tài)系統(tǒng)中其他聯(lián)網(wǎng)傳感器的微型電路板。

重新思考物聯(lián)網(wǎng)和可穿戴存儲設(shè)備的設(shè)計(jì)

  圖1:美光NOR閃存MCP尺寸比較。

  NOR閃存也可被堆疊在設(shè)計(jì)有偽靜態(tài)PSRAM的多芯片封裝(MCP)中,已讓控制器芯片內(nèi)嵌入SRAM的應(yīng)用的容量大于那些系統(tǒng)芯片的常見的1Mbit。例如,含64Mbit NOR閃存和32Mbit PSRAM的52球MCP僅為4×6毫米,含高達(dá)512Mb NOR閃存和128Mb PSRAM的密度較高的MCP僅為8×8毫米。參見圖1美光NOR閃存MCP尺寸比較。其容量和耗電量對于大多數(shù)可穿戴設(shè)備來說可能都過大,但它或許可以應(yīng)用于錄制視頻,例如眼鏡或移動傳感設(shè)備中。

  

重新思考物聯(lián)網(wǎng)和可穿戴存儲設(shè)備的設(shè)計(jì)

  圖2:多芯片封裝能耗預(yù)估

  重新思考可穿戴設(shè)備和的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

  由于共同構(gòu)成了不斷發(fā)展的生態(tài)系統(tǒng)的可穿戴設(shè)備和其他移動聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在空間、耗電量和應(yīng)用方面的要求,我們必須采取創(chuàng)新化的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法,注重芯片上(系統(tǒng)芯片)和封裝內(nèi)(多芯片封裝)集成、更快的啟動時間和更小的待機(jī)耗電量。這些設(shè)計(jì)上的限制條件讓可穿戴設(shè)備看起來更像是高性能的功能手機(jī),而不是智能手機(jī)或平板電腦。因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)師不能只是簡單地縮減現(xiàn)有移動設(shè)備平臺的尺寸,而必須采取創(chuàng)新化的方式,按系統(tǒng)要求優(yōu)化組件選擇。具有下一代高密度0.4毫米間距封裝和MCP模塊的NOR閃存非常適合于大多數(shù)可穿戴應(yīng)用,且提供了充足的本地存儲容量、應(yīng)用代碼的本地執(zhí)行便利性和低待機(jī)耗電電量,可延長設(shè)備的電池續(xù)航時間。

  由于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)會自動將采集的數(shù)據(jù)傳輸至云端,因此可穿戴設(shè)備對于本地存儲的需求非常少,這意味著NOR閃存的益處大大高于其存儲容量略小所帶來的折損。雖然高端可穿戴設(shè)備(尤其是用于存儲視頻的設(shè)備)可能仍然需要NAND閃存芯片或eMMC模塊,但NOR閃存完全適合于可穿戴和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備市場的大部分產(chǎn)品。



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