物联网将催生新的存储范式

生活中有两件事永远是正确的:一是你永远不嫌富有;第二——至少从技术时代开始——你永远不嫌内存多。但是记忆的真理随着物联网．

物联网的下一代内存必须满足一组不同的指标——更小、更智能、更低功耗和更长的寿命。

美光公司(Micron)嵌入式解决方案高级总监Amit Gattani表示:“从终端设备的角度来看，物联网设备面临的最大挑战是功耗、占地面积和安全性。”内存对于这三种处理器来说都是最重要的，尽管相对于MCU或无线电来说，内存并不是功耗的主要因素。

到2020年，物联网上预计将有250亿到500亿件物品。没有人知道确切的数字，但所有的估计都非常大。而且这些设备所需要的内存是天文数字。不过，许多用于管理这些设备的芯片都很简单、价格低廉，内存空间也很小。其他设备，如用于各种基础设施、车辆、医疗和自动化的设备，则有更多的喘息空间，尽管它们在安全领域和处理的海量数据方面面临更大的问题。

权力第一
物联网中的很多东西都需要超低功耗组件——从传感器到可穿戴设备，再到医疗设备微粒以及网络灰尘。此外，这些下一代设备中的大多数将是可移动的，而且功耗低，它们将受到前几代内存不必担心的无数环境条件的影响。

此外，诸如尺寸、封装、集成、接口、性能、温度、低功耗、低电压和电池密度等指标都是设计标准，各个细分市场差异很大。再加上新的或新兴的技术，如能量收集，这为物联网内存带来了新的变化。

但我们在许多参数上还有很长的路要走，特别是在能源收集等领域。

该公司企业解决方案技术副总裁Steven Woo表示:“我们还没有达到利用环境射频能量或微运动等来源的能量收集(EH)技术适用于物联网的地步Rambus．“然而，人们所希望的是EH机制将变得更加高效，同时芯片功耗将下降，我们达到了一个将这些集成变得更加现实的点。这就是芯片行业的发展方向。”

至少部分解决方案也在体系结构方面，这一点最近受到了越来越多的关注。“当你研究芯片架构时，学到的一件事是，任何时候你离开芯片做任何事情，从电源的角度来看都是非常昂贵的，”Woo说。“所以首先要考虑的是，如果可能的话，永远不要脱离芯片。”

这也会进入内存。内存设备将在物联网中发挥关键作用，就像它们在经典计算设备和几乎所有其他电子设备中所起的作用一样。它们将继续保存功能系统代码、工作参数、数据和任何其他系统功能。问题在于，它们现在必须更小、更轻、密度更大。同时，它们必须快速、可靠、超低功耗和安全。

Gattani指出:“终端安全非常重要。“你不想让你的端点被欺骗，所以端点标识必须是可靠的，并且有正确的代码。这意味着内存安全是等价的，有一些东西将通过通道来帮助解决这个问题。”

以传感器和早期物联网可穿戴设备为例。在许多情况下，它们是相对简单的电路，接受输入，根据要求处理它，并转发或存储以供以后检索。这种设备通常不需要高密度内存或强大的计算能力。因此，他们的功率要求通常可以满足大多数低功耗解决方案。

另一方面，将智能手机或平板电脑的功能缩小到物联网设备将需要大量的修补工作。这是因为这样的设备将需要大量的内存和计算能力，这对于低功耗平台来说是一个真正的挑战。
(低功耗MCU的角度将在接下来的文章中讨论。本文将重点介绍下一代内存的新技术。)

OTP——内存解决方案?
易失性内存并不适用于物联网上的大多数对象。就占用空间、功率和规模经济而言，对于构成物联网对象主体的廉价且简单的设备来说，带宽是不够的。在高端行业，如医疗、基础设施、国防和航空航天，有更多的回旋空间。但即使是这些行业也肯定会使用非易失性存储器(NVM)。电力现在是一个关键的设计标准无处不在。

最流行的非易失性存储器(NVM)技术是其中之一闪光或EEPROM(见注1)。动态随机存取记忆体是标准的挥发性技术。到目前为止，这些组合已经成为前物联网设备和系统的事实上的内存平台。这类设备的功率要求很高，目前的技术状态并不适合大部分物联网设备。然而，这些技术的新兴和发展衍生品正在出现，将满足物联网的要求。

其中一种比较有前途的技术是融合、反融合和浮门一次性可编程(OTP)型存储器。目前这种存储器的优点是，它可以在标准、成熟的CMOS技术上实现，充分利用CMOS和现有工艺的经济优势。

图1。典型的融合细胞。Sidense Corp.提供

OTP内存，顾名思义，是一种只能编程一次的内存。它是一个“融合”单元格，要么保险丝完好无损，要么已经损坏，代表逻辑1或0。1或0基于OTP内存元素的状态(短路或打开)。对应逻辑1或0的状态通常是特定于应用程序的(参见图1)。

典型的浮栅器件使用所谓的堆叠栅1T单元。这是一个MOS晶体管，一个浮栅和一个接触栅相互重叠(见图2)。这种技术也可用于MTP，也有其他变体。

使用OTP内存有很多好处。首先，与浮动门多时间可编程(MTP)存储器相比，它便宜且小巧——通常只有一个晶体管。其次，它不需要权力来维持国家。物理阵列结构紧凑，降低了位线和字线的电容，从而降低了预充电和开关功耗。并且，它可以在标准CMOS技术上实现。

图2。典型的融合细胞。由Kilopass科技公司提供。

这样做的坏处和好处是一样的。它只能被编程一次。然而，对于广泛的物联网设备来说，这可能是所需要的全部。而且，如果需要有限的重编程，可以将额外的OTP块放入电路中，将来可以对其进行编程，以更新或修改设备功能或内容。这允许这样的内存模拟多时间可编程(MTP)设备。通常，这用于代码修补、更新或功能改进/添加，其中可以更新小的代码元素，而不是必须更新完整的代码足迹。

OTP内存的一个巨大优势是安全性。OTP内存可以在ic上实现反盗版解决方案。这是一种简单而有效的低成本方法，使用随机数生成器创建一个唯一的识别号码，该号码被永久地编码到内存的一部分。盗版者几乎不可能发现这个数字，特别是如果使用一个大整数RNG，因为可能有数十亿种可能的组合。并且在NVM中没有办法改变ID号。此外，OTP消除了与现场可编程掩码ROM相关的安全问题。

相关的平台
NVM技术有几种变体，它们的作用类似于多时间可编程(MTM)内存。MTP技术包括EEPROM、Flash、RRAM/MRAM(磁阻性/电阻性随机存取存储器)，FRAM(铁电随机存取存储器-也称为FeRAM和F-RAM)， SONOS(氧化硅-氮化-氧化硅-硅)和相变存储器(PCM)。

RRAM使用一种相当新颖的技术来存储数据。它使用电阻来存储每一位信息，因此只需要非常小的功率增量。这使得它成为一些非常微小的物联网设备(如尘埃和互联网灰尘)的完美解决方案。RRAM通过施加小电压改变电阻来改变状态。更改一直保留到下一次写入。

与此同时，FRAM拥有低功耗和快速写入。它的结构类似于DRAM，但数据是通过极化铁电材料(铅-锆-钛酸盐)来存储的。当施加电场时，偶极子在晶体结构中移动以存储信息。在安全端，存储在FRAM中的代码和数据比Flash/EEPROM更不容易受到攻击，并且能够抵抗辐射EMI/RFI。

SONOS存储器使用绝缘层，如氮化硅，以保持状态。这种类型的NVM也被称为电荷陷阱存储器，因为氮化物中的陷阱捕获载流子并保留从MOS器件通道注入的电荷。这使得这种内存对所谓的针孔缺陷不那么敏感，并且在产量和数据保留方面趋于健壮。

PCM是NVM NAND的替代技术之一。PCM通过快速加热硫系玻璃来改变状态。当加热时，玻璃在晶体和非晶态之间转换。在无定形状态下，该结构具有很高的电阻(读取为二进制0)，而在晶体状态下，电阻非常低(读取为二进制1)。这样的内存可以在两种状态之间快速切换，使其成为NVM池中一个有吸引力的选项。这项技术的最新研究表明，它也可能具有中间状态。这种状态允许在每个单元格中存储两个比特，而不是通常的一个比特。

这些先进的NVM技术显示出很大的前景，原因有很多。它们承诺比典型的NVM技术(如NAND和NOR闪存)和E/ eeprom更好的整体性能数据。它们提供更快的写入速度，更低的电压和功率要求，更好的数据保留，更持久，对环境影响有更好的抵抗力，可扩展，许多可以在成熟的CMOS中实现。本文最后列出了一个简单的好处列表。

结论
人们普遍认为，物联网将拥有数不清的相互连接的数据收集和数据处理设备。这些数十亿的计算系统、控制器、传感器和通信系统，在不断发展的物联网生态系统中展开。将在嵌入存储器和微处理器方面带来无数的挑战。从简单到高度复杂的设备都将为各种类型的嵌入式存储器提供大量机会。

有时，旧的东西又变成了新的，多年来，DRAM封装一直在推动实现更快、更好的性能。但明天，物联网将把钟摆推向相反的方向——回到开始这一切的技术。的确，旧的东西又会变成新的。

注1闪存是一种电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)。不同的是，E和eeprom在重写之前必须完全擦除，闪存可以在块(或页)中写入和读取，而不是必须擦除整个设备。优点包括低制造成本和易于集成到逻辑基线流程。由于基线Si模型没有变化，现有的设计IP被保留，允许IP重用和更快的上市时间。它还与现有的半导体芯片兼容，易于测试，具有高内在产量，并且它允许闪存和EEPROM以及NVM在同一芯片上使用。