重新思考物聯(lián)網(wǎng)和可穿戴存儲設備的設計

　　幾十年來(lái)，我們對漫畫(huà)書(shū)和科幻小說(shuō)中常常出現的腕式對講機非常熟悉，而工程師們實(shí)現這一技術(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。如果當下無(wú)處不在的智能手機是《星際迷航》所幻想出來(lái)的溝通工具，那么可穿戴設備(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。但可穿戴設備并不僅僅是現有移動(dòng)設備的演變，它的物理尺寸和電路要求與智能手機有著(zhù)極大的不同，這讓它們屬于完全不同的硬件類(lèi)別。物理尺寸、電池容量和使用環(huán)境(防水防震等特性對可穿戴設備來(lái)說(shuō)要重要得多)的差異意味著(zhù)可穿戴設備在設計上具有不同的要求和局限性。設計師不能寄希望于僅僅改變現有智能手機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手機表面積的1/5。在10毫米厚的外殼內，Pebble的設計師必須讓其容納下一個(gè)2.3英寸的LED顯示屏和包含存儲器、系統芯片控制器、各種傳感器、藍牙芯片和電池的電路板。所有組件都被設計在一個(gè)雙面電路板上，相關(guān)組件和連接的空間極其有限，但對于消費者來(lái)說(shuō)，手表自然是越薄越好。

　　對于可穿戴設備的設計要求并不止步于封裝。由于容納電池的空間有限，產(chǎn)品在運行和待機模式下均需極為省電，但又需支持藍牙通信，可立刻啟動(dòng)，還要能無(wú)縫運行用戶(hù)設定的應用程序。沒(méi)有人會(huì )僅僅為了看時(shí)間而購買(mǎi)智能手表，但與漫畫(huà)書(shū)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(lái)取代智能手機，這在某種程度上降低了設計的難度。而智能手機也正在發(fā)展成為多用途中心，可支持、連接越來(lái)越多的可穿戴設備。這也意味著(zhù)大多數可穿戴設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，可穿戴設備是使用NOR閃存的理想平臺。

　　回到未來(lái)：NOR閃存最適用于可穿戴設備

　　在智能手機能夠存儲一季里值得收藏的電視秀或完整音樂(lè )庫之前，當手機還只是部電話(huà)時(shí)， NOR閃存曾是手機首選的永久性存儲介質(zhì)。NAND成序列地存儲多個(gè)比特(bit)，通過(guò)犧牲隨機存取的方式來(lái)獲得密度和寫(xiě)入速度，而NOR則更像傳統的DRAM——可以分別讀寫(xiě)每一個(gè)存儲單元，而不是一次讀寫(xiě)整個(gè)塊。這意味著(zhù)NOR適用于可在本地執行而無(wú)需首先復制到另外的RAM緩存的應用程序代碼。隨機存取還意味著(zhù)NOR閃存具備高速寫(xiě)入速度——對于串行設計(串行外設接口)可高達20MB/s，對于并行NOR設計可高達250MB/s。

　　在可穿戴設備中使用NOR閃存而不是NAND具有明顯的益處。NOR閃存的直接代碼執行能力可顯著(zhù)縮短啟動(dòng)時(shí)間，可以讓設備立刻啟動(dòng)。同樣，代碼執行無(wú)需RAM就意味著(zhù)待機時(shí)的用電量大大減少，因此在可穿戴設備必須使用微型電池的條件下，設備的使用時(shí)間可以得到延長(cháng)。

　　由于可穿戴設備一般會(huì )連接到另一個(gè)設備上，通過(guò)該設備連接互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)和數據庫，所以它們無(wú)需存儲太多本地數據。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據都是極小的。鑒于可穿戴設備中的空間十分有限，NOR閃存容量與芯片尺寸比NAND更適合于應用程序的需求。

　　第二點(diǎn)可能會(huì )讓人感到意外，因為NAND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計，所以產(chǎn)品一般會(huì )使用最小工藝節點(diǎn)，目前為16nm 。但問(wèn)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(kāi)銷(xiāo)，例如行地址解碼器、感應放大器、位線(xiàn)控制電路、外圍I/O電路、電壓調節器和I/O針腳等子系統。芯片上的開(kāi)銷(xiāo)區并不與存儲容量成線(xiàn)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(huì )少量增加。這意味著(zhù)即使使用上一代的25nm工藝尺寸，最小可行的NAND器件也是1Gbit。這對于大多數可穿戴應用都是無(wú)法接受的，因為市場(chǎng)主要需要的是512Mbit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用來(lái)說(shuō)過(guò)大。例如，用作某些應用的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備和物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統中其他聯(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計有偽靜態(tài)PSRAM的多芯片封裝(MCP)中，已讓控制器芯片內嵌入SRAM的應用的容量大于那些系統芯片的常見(jiàn)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512Mb NOR閃存和128Mb PSRAM的密度較高的MCP僅為8×8毫米。參見(jiàn)圖1美光NOR閃存MCP尺寸比較。其容量和耗電量對于大多數可穿戴設備來(lái)說(shuō)可能都過(guò)大，但它或許可以應用于錄制視頻，例如眼鏡或移動(dòng)傳感設備中。

　　圖2：多芯片封裝能耗預估

　　重新思考可穿戴設備和物聯(lián)網(wǎng)的系統設計

　　由于共同構成了不斷發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統的可穿戴設備和其他移動(dòng)聯(lián)網(wǎng)設備在空間、耗電量和應用方面的要求，我們必須采取創(chuàng )新化的系統設計方法，注重芯片上(系統芯片)和封裝內(多芯片封裝)集成、更快的啟動(dòng)時(shí)間和更小的待機耗電量。這些設計上的限制條件讓可穿戴設備看起來(lái)更像是高性能的功能手機，而不是智能手機或平板電腦。因此系統設計師不能只是簡(jiǎn)單地縮減現有移動(dòng)設備平臺的尺寸，而必須采取創(chuàng )新化的方式，按系統要求優(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可穿戴應用，且提供了充足的本地存儲容量、應用代碼的本地執行便利性和低待機耗電電量，可延長(cháng)設備的電池續航時(shí)間。

　　由于物聯(lián)網(wǎng)系統會(huì )自動(dòng)將采集的數據傳輸至云端，因此可穿戴設備對于本地存儲的需求非常少，這意味著(zhù)NOR閃存的益處大大高于其存儲容量略小所帶來(lái)的折損。雖然高端可穿戴設備(尤其是用于存儲視頻的設備)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)設備市場(chǎng)的大部分產(chǎn)品。