物聯(lián)網(wǎng)和可穿戴設(shè)備：重新思考存儲(chǔ)設(shè)備的設(shè)計(jì)

幾十年來，我們對(duì)漫畫書和科幻小說中常常出現(xiàn)的腕式對(duì)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(chǎng)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，那么可穿戴設(shè)備(例如智能手表、健身腕帶或是將我們的手指變成手勢(shì)控制器的指環(huán))，則最終能將最新的高科技帶給大眾。但可穿戴設(shè)備并不僅僅是現(xiàn)有移動(dòng)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(duì)可穿戴設(shè)備來說要重要得多)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。

想要了解這種不同，只需對(duì)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(gè)2.3英寸的LED顯示屏和包含存儲(chǔ)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(gè)雙面電路板上，相關(guān)組件和連接的空間極其有限，但對(duì)于消費(fèi)者來說，手表自然是越薄越好。

對(duì)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(dòng)，還要能無縫運(yùn)行用戶設(shè)定的應(yīng)用程序。沒有人會(huì)僅僅為了看時(shí)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(chǔ)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(tái)。

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(chǔ)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(shí)， NOR閃存曾是手機(jī)首選的永久性存儲(chǔ)介質(zhì)。NAND成序列地存儲(chǔ)多個(gè)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(gè)存儲(chǔ)單元，而不是一次讀寫整個(gè)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(duì)于串行設(shè)計(jì)(串行外設(shè)接口)可高達(dá)20MB/s，對(duì)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(dòng)時(shí)間，可以讓設(shè)備立刻啟動(dòng)。同樣，代碼執(zhí)行無需RAM就意味著待機(jī)時(shí)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(shí)間可以得到延長。

由于可穿戴設(shè)備一般會(huì)連接到另一個(gè)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(chǔ)太多本地?cái)?shù)據(jù)。相對(duì)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(cè)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(huì)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(duì)最大密度設(shè)計(jì)，所以產(chǎn)品一般會(huì)使用最小工藝節(jié)點(diǎn)，目前為16nm 。但問題是，除了存儲(chǔ)單元之外，所有存儲(chǔ)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(chǔ)容量成線性增加?？s減存儲(chǔ)陣列的尺寸后，芯片上用于外圍邏輯的空間只會(huì)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(duì)于大多數(shù)可穿戴應(yīng)用都是無法接受的，因?yàn)槭袌?chǎng)主要需要的是512Mbit或更小的存儲(chǔ)器件。

針對(duì)特定制程尺寸縮減NAND容量的局限性也讓封裝后的尺寸對(duì)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)備和物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)中其他聯(lián)網(wǎng)傳感器的微型電路板。
?

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(duì)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(dòng)傳感設(shè)備中。

圖2：多芯片封裝能耗預(yù)估

重新思考可穿戴設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于共同構(gòu)成了不斷發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)的可穿戴設(shè)備和其他移動(dòng)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(dòng)時(shí)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(jiǎn)單地縮減現(xiàn)有移動(dòng)設(shè)備平臺(tái)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(chǔ)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(shí)間。

由于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將采集的數(shù)據(jù)傳輸至云端，因此可穿戴設(shè)備對(duì)于本地存儲(chǔ)的需求非常少，這意味著NOR閃存的益處大大高于其存儲(chǔ)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(chǔ)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(chǎng)的大部分產(chǎn)品。
?