智能購物應用中的存儲器——第一部分

　　當今，物聯網(IoT)已對所有行業(yè)產生了影響，而且有望到2020年成為一個1.7萬億美元的市場。IoT領域建立在云計算以及由移動、虛擬和即時連接搭建的數據采集傳感器網絡的基礎之上。行業(yè)專家認為，它將讓我們生活中的一切變得更加“智能”。IoT已經滲透至各行各業(yè)：從工廠自動化到點播娛樂和可穿戴設備。但在大多數情況下，這個龐大的智能設備互聯系統(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無疑是推動半導體行業(yè)和嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的新動力。它的誕生推升了市場對眾多新使能技術的需求，其中包括：

　　· 新一代超低功耗IC

　　· 全新的無線通信協議

　　· 分析及云計算用高級數據處理技術

　　隨著芯片朝著更小尺寸的工藝節(jié)點邁進，此前相對不引人注目而現在變得愈發(fā)顯眼的一個半導體細分市場就是存儲器。物聯網及其艾字節(jié)數量級的數據流量正在推升市場對高性能、低功耗、超小封裝的存儲器的需求。IoT對半導體-尤其是存儲器的-強加的另一個約束就是安全性和可靠性要求。大量隱私信息將被存儲在可穿戴設備、服務器和其它物聯網節(jié)點上。

　　過去十年來，存儲器領域被分為兩個截然不同的產品家族：即快速和低功耗存儲器，每個都有其自身的特性、應用和定價。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器產品。對于需要低功耗的易失性和非易失性存儲器而言，反之亦然。

　　但是， IoT 改變了市場對存儲器的要求?，F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)行復雜的運算。它們還必需盡量縮減引腳數量和外形尺寸。通過內置深度關機、深度睡眠等低功耗模式，同時提供一代高于一代的性能(即時鐘頻率和特性集)，微控制器已可以滿足這些要求。為了與微控制器保持同步，存儲器一定不能讓設計人員擔憂性能和功耗之間的取舍。

　　本文將聚焦于存儲器在已受IoT影響的一個領域―零售購物領域中的發(fā)展趨勢。在借助IoT給消費者帶來便利方面，這個2萬億美元的市場蘊含著巨大潛力。零售是世界上競爭最為激烈的行業(yè)之一，數百萬個零售商爭奪一個成熟客戶群，因此利潤率很低。大型商場已經開始利用物聯網吸引客戶，為他們提供個性化購物體驗。零售商正在整合商場中的所有設備、公司總部云端資源。最終目標是一個互聯商場，它能夠利用所采集的數據進行促銷、打造客戶忠誠度、管理庫存和提升運營效率。

　　當今的消費者正在廣泛使用互聯網影響他們的購物決策：從研究產品到網上購物再到評論產品。在利用互聯網進行購物方面，零售商已經落后于消費者。為了跟上消費者的步伐，零售商正在關聯零售的物理和在線層面，從而讓每一次互動都有回報，以便讓他們的商場變得更加“智能”。

　　智能POS終端

　　IoT已給零售領域帶來的一個顯著影響就是智能銷售點(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。很多領先的“智能”商場利用POS數據了解客戶的購物趨勢，實時追蹤庫存，并幫助在線購物者準確確定產品的本地存貨情況。它們還能幫助零售商根據客戶購買特定物品的頻率為他們提供定制建議。

　　為了追蹤購物者的購物統(tǒng)計數據，智能POS終端需要連接掃描儀。這意味著智能POS終端必須處理數倍于傳統(tǒng)POS終端所處理的數據。很多最新型號的智能POS終端采用了主頻達到Ghz級別的最新的ARM處理器。與此同時，這些終端大多是由電池供電的便攜式設備，換句話說，這些系統(tǒng)需要盡可能地少用電。此外，由于所傳輸的數據是高度個人化的數據，因此要求最高級別的數據完整性，即需要使用比傳統(tǒng)終端更為嚴格的加密標準。最后，還要采用所有POS終端都采用的標準的故障安全技術(如lockout模式)。

　　POS終端采用多種類型的存儲器：用于非易失性數據存儲的閃存，用于高速緩存的DRAM，以及用于微控制器存儲擴展和電池備份配置數據日志的SRAM。有時甚至會使用一個外置的MMC。圖1顯示了一個典型POS終端設計的框圖，為了滿足智能POS終端的要求，存儲器應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，存儲器還必須具備低功耗、小尺寸的特點。

　　過去，存儲器的發(fā)展一直試圖結合快速的存取速度、低功耗和小尺寸特性。但是，隨著Octi-SPI、HyperBus?等新一代低引腳數接口的問世，現在出現了能夠媲美甚至超過快速存取式存儲器的帶寬，同時匹敵低功耗存儲器的功耗，并使用最低數量的微控制器引腳的存儲器。從微控制器傳承到SRAM等存儲器的另一項創(chuàng)新技術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. 這是現代POS終端的框圖。所使用的存儲器包括閃存、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的功耗和存取時間。

　　通過結合快速存取和深度睡眠特性，這些存儲器能夠媲美SRAM的速度和低功耗SRAM的能效。在SRAM在大多數時間處于待機狀態(tài)的應用中，這種結合的優(yōu)勢更加顯著。

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

　　對于一顆240mAH的板載紐扣電池而言，一個處于待機狀態(tài)的16Mb Fast SRAM將能讓電池續(xù)航超過12小時，而一個處于待機狀態(tài)的低功耗SRAM將能讓電池續(xù)航超過3年，但后者的局限是存儲速度較慢。此時，一個具備深度睡眠模式的Fast SRAM與低功耗SRAM相比優(yōu)勢顯著，其帶寬是后者的4倍多(即10ns存取時間vs. 45ns存取時間)，而且沒有功耗代價。盡管如此，無論是MCU或SRAM，使用深度睡眠模式時應考慮一個因素：進入和退出深度睡眠模式的時間。如果兩個工作周期之間的時間間隔與SRAM進入或退出深度睡眠模式所用時間相比太短，那么這種方法將會無用。例如，對于賽普拉斯出品的具備深度睡眠模式的Fast SRAM而言，這個時間間隔是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。

　　存儲器領域的另一個有趣趨勢是：隨著閃存變得越來越快，對高速緩存的需求正在發(fā)生改變。 很多需要RAM的微控制器工藝現在可以利用XIP(Execute In Place)在閃存上實現。這意味著RAM越來越多被用于擴展內存或電池系統(tǒng)備份。與此同時，已被運用于這兩種應用的SRAM正在增加容量選擇。換句話說，傳統(tǒng)上首選的DRAM正變得越來越不重要，因為就像容量更大、速度更快、功耗更低的閃存可以滿足大型存儲的需求那樣，容量更高、功耗更低、尺寸更小的SRAM也可以滿足小型存儲的需求。，

　　其它組件

　　用于構筑智能購物體驗的還有很多其它組件：各種類型的傳感器、電子貨架標簽及信標、存儲設備以及用于處理所采集數據的數據處理終端。在一篇文章中探討所有這些設備的應用和內存需求難度很大。我計劃在近期探討這些設備的內存需求。但是，基本的要求不變，即低功耗、高速、小尺寸和高可靠性。

　　您可以閱讀Power Saving SRAM，進一步了解具備深度睡眠模式的SRAM?；蛟L問Programmer's Guide to HyperFlash Memories，獲取更多兼容HyperFlash 內存的設計系統(tǒng)的相關信息。