在M2M应用中使用NOR和NAND闪存

扩展 M2M 功能和解决方案支持新产品和服务，这些产品和服务正在改变我们的工作和娱乐方式。M2M 解决方案有多种外形尺寸和无线电接口，但最常以模块形式出售——分立式或安装在 PCB 上。嵌入式存储器通常支持短距离无线电解决方案（Wi-Fi、ZigBee、Z-wave、蓝牙、IP500）。通常，内存子系统（就嵌入式闪存和 RAM 而言）包含在处理器中。如果内存无法放置在处理器上，则可以添加低密度的外部 NOR 闪存或 RAM。

虽然许多短距离 M2M 无线解决方案足以满足以消费者为中心的应用（如电器连接和家庭自动化），但基础设施和关键任务应用（健康、安全、汽车、零售和智慧城市应用）需要稳健且始终在线蜂窝网络连接。在蜂窝 M2M 等远程无线电解决方案中，在处理器芯片上嵌入高密度存储设备并不划算，因此必须在外部闪存和 RAM 中管理关键通信代码。图 1显示了一个典型的蜂窝 M2M 模块，包括一个软件堆栈。

图 1：蜂窝 M2M 模块的框图。

M2M 蜂窝模块提供 2G 和 3G/4G 版本。在 GSM 网络上，GPRS 和 EDGE 被认为是 2G，而在 CDMA 网络上，1xRTT（或 CDMA2000）被认为是 2G。3G 网络基于全球高速下行分组接入 （HSDPA） 标准，与常见的微处理器单元 （MPU） 架构兼容，可实现丰富的实时多媒体和浏览体验。汽车信息娱乐、交通和视频监控服务正在推动仅在 3G 和 4G 网络上可用的更高带宽要求。

随着数据服务的收入和容量超过传统语音服务，正在部署数十亿美元、创收 M2M 服务的移动网络运营商 （MNO） 有充分的动力利用 3G 和 4G 网络，以便最有效地利用网络资源和有限频谱。 AT&T 已经宣布计划到 2017 年在美国使 2G 网络下线，领先的 M2M 模块供应商正在将 2G 认证模块排除在新设计中［1］。2G M2M 解决方案还依赖于开始过时的传统组件支持和制造资产。这些因素有助于将 3G M2M 模块置于市场增长的最佳位置——预计未来四年将有 50 亿美元的 3G 和 4G M2M 连接上线［2］。

蜂窝 M2M 内存要求：小尺寸

2G M2M 模块具有高达 130 Kbps 的调制解调器速度，并使用 NOR 闪存，其关键通信代码存储要求介于 32 Mb 和 64 Mb 之间。由于采用就地执行 （XIP） 内存架构，NOR 闪存读取性能（高达 250 MBps）足以在 2G 解决方案中直接从闪存执行通信协议，而外部 RAM 仅需 16 Mb 或工作内存或扩展缓存中的 32 Mb PSRAM。今天，2G M2M 存储器解决方案的最佳选择是采用 6 mm x 4 mm BGA 封装的工业级 NOR + PSRAM 多芯片封装 （MCP）。MCP 解决方案在 M2M 模块中是首选，因为它们可以节省大量空间（超过50%） 与单独的闪存和 RAM 组件替代方案相比。当 M2M 模块嵌入各种传感器和基础设施应用时，尺寸是一个重要因素。

汽车级和工业级内存

支持工业级温度（-4 0 °C至 +8 5 °C）的 M2M 模块专为将驻留在户外或恶劣环境中的系统而设计，同时还有助于加快上市时间、简单性和可扩展性。美国东北部的居民最近提醒了负-4 0°C（-4 0°F）的感觉——那些被困在外面的移动和汽车电子设备无法正常工作的人被提醒了工业和汽车的重要性级内存支持已成为 M2M 设计。

性能、密度和成本

3G 和 4G 内存解决方案对 Mbps 调制解调器速度有更高的性能和密度要求。3G 具有多种通信协议，软件定义无线电配置中的组合代码密度是 2G 的两倍多。3G 还需要至少一份通信协议的备份副本，这将最低内存要求推到了 256 Mb 到 512 Mb 的范围内。添加中间件（如可加速应用程序集成的 Java 虚拟机和为新应用程序分配的内存）后，3G 和 4G M2M 模块的要求扩展到高达 4 Gb 的闪存和 2 Gb 的 LPDRAM，通常具有长寿命、工业-等级要求。在 1 Gb 或更高时，单级单元 （SLC） NAND 闪存成为 NOR 闪存的有吸引力的低成本替代品（图 2，第 12 页）。

图 2： SLC NAND 闪存成为 3G M2M 解决方案中小于 1 Gb 的良好替代品。

由于 NAND 闪存由于读取性能较慢而无法直接执行代码，因此将代码复制到 RAM 中执行。这通常称为存储和下载 （SnD） 或计算内存架构。在 SnD 架构中，外部 RAM 需求显着增加至 512 Mb 或更多，以隐藏和执行代码；根据密度和配置，LPDDR1 或 LPDDR2 存储设备的物料清单 （BOM） 中还会增加 2 到 5 美元。3G 和 4G 蜂窝架构完全基于 SnD，与传统 PC 级 DRAM 相比，LPDRAM 接口驱动内存性能要求和显着降低的功耗。

即使添加了外部 LPDRAM，1 Gb SLC NAND + 512 Mb LPDRAM 内存解决方案的价格也将与 256 Mb NOR 闪存 + 512 Mb LPDRAM 内存解决方案持平。这两种配置都被认为是 3G 和 4G M2M 模块设计中的低成本替代方案。鉴于从 2G M2M 内存解决方案迁移所需的 4 倍容量增加，3G 和 4G LPDRAM MCP 需要稍大的封装（8 mm x 8 mm BGA 到 8 mm x 9 mm BGA）。

产品寿命

在选择 NAND 闪存解决方案时，M2M 设计人员还必须考虑到 M2M 应用的平均寿命为 10 年以上。NOR 闪存在汽车和工业应用中具有悠久的嵌入式支持历史——通常拥有超过 10 年的产品支持和多家供应商；NOR 也不需要外部存储器管理。与 NOR 不同，NAND 在嵌入式支持方面没有传统，更重要的是，NAND 特性会随着硅光刻的每次缩小而变化。NAND还需要处理器进行外部管理，包括ECC、坏块和磨损均衡管理。

NAND闪存缩放的缺点

无数嵌入式应用需要大约 100，000 次编程和擦除 （P/E） 周期和/或 10 年的闪存支持数据保留。SLC NAND 在尝试扩展到低于 30 纳米范围 （3X nm） 技术时遇到了悬崖——其中 ECC 要求显着增加，P/E 周期和数据保留在一定程度上限制了广泛的嵌入式应用，如图 3所示。但是，蜂窝芯片组和无线 OEM 可以从更高密度的 NAND 闪存的成本优势中受益，它可以为手机和调制解调器提供足够的 ECC。

图 3： NAND 闪存扩展的缺点

当目标是 2X nm 或更低的 NAND 闪存时，该技术会针对特定应用的用例进行调整。例如，在无线调制解调器中，代码主要在启动时读取，在 3 到 7 年的生命周期内很少进行无线更新或重新启动。在这种情况下，假设 P/E 周期要求在产品生命周期内较低（《10，000），并且假设光刻较低的 2X nm NAND 闪存非常适合低成本解决方案。对于 M2M 设备，安全性、数据管理和应用程序将显着增加 P/E 周期，并且在超出基本调制解调器功能时需要在设计时进行特定用例评估。

M2M 未来的内存

物联网 （IoT） 及其 M2M 产品将一些最令人兴奋的电子技术进步带到了我们生活的最前沿。大多数新产品和丰富的 M2M 服务正在针对 3G 技术进行扩展。设计人员在选择正确的 M2M 内存解决方案时有多种选择——从工业级 NOR 闪存到 NAND 闪存 MCP 解决方案。密度、性能、尺寸、市盈率周期和数据保留要求都是需要考虑的重要因素。

审核编辑：郭婷