大规模物联网连接数量增加三倍,物联网设备系统设计应考虑哪些因素?

winniewei 提交于 周四, 11/26/2020
大规模物联网连接数量增加三倍,物联网设备系统设计应考虑哪些因素?

2020 年,大规模物联网技术 NB-IoT  Cat-M 继续在全球部署。到 2020 年底,大规模物联网应用的数量将达到约 1 亿。根据 Ericsson 预估 2025 年底,NB-IoT  Cat-M 将占所有蜂窝物联网连接 52%

物联网应用设计考虑因素

为了在市场上获得更广泛采用,物联网应用必须满足各种设计考虑因素,例如低成本、低功耗和运算效率。尤其对于电池供电的设备(例如智能音箱和智能电表)而言,除了丰富的物联网功能和易于使用的人机接口,电池寿命也成为产品成功与否的关键,因此低功耗因素变得越来越重要。为了延长电池寿命,除了使用低功耗 MCU,还应考虑其他低功耗的周边组件。

图 1  移动设备系统架构图

图 1  移动设备系统架构图

许多移动设备采用图 1 中的相似架构,如平板电脑或智能手表等。Wi-Fi/BT 和移动网络模块负责通信。传感器(如触摸面板)专用于收集外部信息,并将信息转发给应用处理器。NOR/NAND 负责存储程序代码/数据,而 DRAM 则用于暂时性的处理。

目前,许多 MCU 供货商正在开发效能更高、功耗更低的新一代 MCU,以满足市场需求。但从整体系统设计的角度来看,与 MCU 搭配使用的 DRAM 也需要有新的选择,以提供比现有 SDRAM、低功耗 SDRAM 和 CRAM/PSRAM 更佳的优势。因为这些现有的 DRAM 标准定义过于陈旧,已无法跟上最新技术发展(详情请参照表1)。

 

SDRAM

LPSDRAM

CRAM/pSRAM

HyperRAMTM

标准发布时间

1994 

2007 

2005 

2019  (2.0)

2014  (1.0)

标准发布时的逻辑处理节点

800 nm

65 nm

90 nm

7 nm

表 1   DRAM 标准及其对应逻辑处理节点

支持 HyperBusTM 接口的 HyperRAMTM 是能满足市场需求的最新技术解决方案。HyperBusTM 技术由 Cypress  2014 年首次发布并于 2015 年推出其首款 HyperRAMTM 产品。考虑到市场发展需要华邦电子决定加入 HyperRAMTM 阵营并推出 32Mb/64Mb/128Mb 容量的产品,进一步扩展其产品组合,以应对多样化的应用需求,使生态系统更趋完整。

HyperRAMTM 使用优势

HyperRAMTM 仅具备 13 个信号 IO 脚位,可大大简化 PCB 的布局设计。这也意味着,在设计最终产品时,设计人员能将 MCU 的更多脚位用于其他目的,或减少 MCU 使用脚位以提升成本效益。如图 2 所示,与类似的 DRAM(如低功耗 DRAM、SDRAM 和 CRAM/PSRAM)相比,HyperRAMTM 只需最少的脚位数便能实现近似的处理量(333MB/s)。

图 2  IO 脚位比较

 2  IO 脚位比较

简化控制接口是 HyperRAMTM 的另一项技术特色,PSRAM 只有 9 个控制接口,而 LPSDRAM 有 18 个。控制接口越少,DRAM 控制器所需的复杂度就越低。详细区别可参阅图 3。

HyperRAMTM 系以 PSRAM 架构为基础,是能够自刷新(Self Refresh的 RAM。而且,它可以自动恢复为待机模式。因此,系统内存更易于使用,固和驱动程序的开发也会更简单。

图 3  LPSDR 和 HyperRAMTM 的控制接口比较

 3  LPSDR  HyperRAMTM 的控制接口比较

由于 HyperRAMTM 是近几年才开发的因此它可以采用最新型的半导体制程节点和封装技术使其封装尺寸比其他 DRAM 都要小。图 4  JEDECPSRAM  HyperRAMTM 的封装尺寸比较。

图 4  封装尺寸比较

 4  封装尺寸比较

HyperRAMTM 满足新兴物联网设备需求

功耗对于物联网设备至关重要,因为设备大多由电池供电。降低功耗不仅可以节省用电,还可以减少设备充电和更换的成本。以华邦的 64Mb HyperRAMTM 为例,其待机耗电量为 90uW(1.8V 下),而相同容量的 SDRAM 的耗电量则是 2000uW(3.3V 下)。

更重要的是,HyperRAMTM 在混合眠模式下的耗电量仅 45uW(1.8V 下),与 SDRAM 在待机模式下的耗电量有明显差异(表 2)。另一方面,即使采用低功耗的 SDRAM,其耗电量和外形尺寸仍较 HyperRAMTM 更大。

 

SDRAM

CRAM

LPSDRAM

HyperRAMTM

HyperRAMTM

(Hybrid Sleep Mode)

电压 (V)

3.3

1.8

1.8

1.8

1.8

待机耗电量 (uW)

2000

400

160

90

40

 2  耗电量比较

传统的 SDRAM 和 PSRAM 发展日臻成熟,难以对新兴的物联网应用进行优化。有鉴于汽车和工业应用的长期供应需求,华邦 HyperRAMTM 的先进制程节点可以满足市场对长寿命产品生命周期的需求。

从整个系统设计和产品寿命来看,HyperRAMTM 已成为新兴物联网设备的理想选择。包括 NXP、Renesas、ST 和 TI 等领先的 MCU 公司已开始提供支持 HyperBusTM 接口的 MCU,未来其新产品亦将继续支持 HyperBusTM 接口。

同时,HyperBusTM 控制接口开发平台已准备就绪。Cadence 和 Synopsys 也已开始提供 HyperRAMTM 存储器验证 IP,可加快 IC 厂商的设计周期。因此,与其他 Octal RAM 相比,HyperRAMTM 具有最成熟的应用环境。HyperRAMTM 已被纳入 JEDEC 标准,并成为与 JEDEC x SPI 兼容的技术。

目前,华邦 HyperRAMTM 产品系列 32Mb64Mb  128Mb 已进入量产,同时已开始提供 24BGA(汽车级49BGAWLCSP  KGD 的产品。24BGA 的尺寸为 6x8 mm2,而 49BGA 的尺寸仅为 4x4 mm2,主要针对消费型可穿戴式设备市场。

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