Muisti on tärkeä osa lähes kaikkia elektronisia järjestelmiä. Yleensä muisti on suunniteltu toimittamaan dataa ja ohjaussignaaleja prosessorille ilman, että tämä vaikuttaa sen tallennustilan sisältöön. Kun kehittyneempiä sovelluksia on otettu käyttöön, muistisuunnittelut ovat kehittyneet rinnakkain tukemaan näitä sovelluksia. Nyt on ilmaantunut uusi valikoima sovelluksia, jotka vaativat lisäkehitystä muistin suunnittelussa ja käytössä, jotta tiheys, suorituskyky ja turvallisuus paranevat.

Näitä uusia sovelluksia ovat tekoälykiihdyttimet, reunalaskenta, 5G-tukiasemat ja teholaskenta tai HPC (high performance computing). Uusien teknologioiden käyttö ulottuu kaikille aloille lääkinnällisistä laitteista pelaamiseen ja älykkäiden ajoneuvojen yhdyskäytäviin. Kaikille näille sovelluksille on yhteistä se, että ne kaikki vaativat paljon enemmän tukea muistiteknologioilta toimiakseen maksimaalisesti. Tämä pätee erityisesti haihtumattomiin muistitekniikoihin, kuten NOR-flash.

Perinteisesti NOR-flashia on käytetty pääasiassa suoritettavan koodin tallentamiseen monissa erilaisissa it- ja sulautetuissa järjestelmissä. Tärkeimpinä etuinaan se tarjoaa nopeat lukuajat ja pääsyn helposti käsiksi satunnaisiin paikkoihin tallennettuihin tietoihin. NOR-flashin suurin haittapuoli on, että datan kirjotus ja poispyyhintä ovat suhteellisen hitaita. NOR-flashin solukoko on myös suurempi kuin esimerkiksi NAND-flashin, joten sitä on vaikeampi skaalata pienempään ja kohti suurempia bittitiheyksiä. Koska suoritettavan koodin tallennus perustuu nopeisiin lukuaikoihin, eikä tähän mennessä ole vaadittu suurempaa tiheyttä, olemassa oleva NOR-flash on soveltunut tähän työhön täydellisesti.

Uusimmat sovellukset vaativat kuitenkin paljon monimutkaisempaa ohjausta, ja siksi niissä on paljon enemmän koodia. Lisäksi sovellukset tarvitsevat nopeampaa muistia saadakseen sovellukset käynnistymään kohtuullisessa ajassa. Vaikka pienempitiheyksinen NOR voi olla ihanteellinen suoritettavalle koodille, jota tarvitaan yksinkertaisissa sovelluksissa, kuten IP- ja valvontakameroissa ja pesukoneissa, AI-kiihdyttimeen tarvitaan kertaluokka enemmän koodia. Joskus jopa vielä enemmän. Voi olla hyväksyttävää, että yksinkertaisen kuluttajalaitteen käynnistyminen tai kuvan lataaminen kestää muutamia kymmeniä sekunteja, mutta autonominen ajoneuvo saattaa tarvita koodin suorittamisen mikrosekunnissa. Tekoälykiihdyttimen odotetaan lataavan ja analysoivan tuhansia kuvia samassa ajassa.

Koska luotamme yhä enemmän langattomaan tekniikkaan, myös ohjelmisto- ja laiteohjelmistopäivitykset suoritetaan langattomasti (OTA, over-the-air) langallisen yhteyden sijaan. Tietokoneidemme ohjelmiston ja laiteohjelmiston päivittäminen on välttämätöntä ohjelmistovirheiden korjaamiseksi ja haavoittuvuuksien ehkäisemiseksi. Korkeamman tietoturvatason tarve kasvaa, kun on kyse kriittisistä järjestelmistä, joiden pitää olla käynnissä jatkuvasti. Tämä koskee esimerkiksi robottiajoneuvoja. OTA-päivitys on monimutkainen prosessi, jossa koodin uusi versio on ladattava langattomasti ja asennettava, kun vanha versio tallennetaan siltä varalta, että muutos on palautettava virheiden, toimintahäiriöiden tai sähkökatkojen sattuessa.

OTA-päivitykset ovat nykyään vain osa riippuvuuttamme langattomista teknologioista, ja esineiden internetin (IoT) ja sen mahdollistavien teknologioiden, kuten 5G-viestinnän, kasvu lisää tätä riippuvuutta. Jälleen 5G:n kaltaiset tekniikat tarvitsevat nopeamman ja tiheämmän NOR-muistin ohjauskoodia varten. Sen lisäksi turvallisuus on ensiarvoisen tärkeää. Langaton yhteys tarjoaa usein yhdyskäytävän koko järjestelmään ja on tärkein vektori tai piste mille tahansa hyökkäykselle. Turvallisuuden lisäksi langattomat sovellukset vaativat alhaista latenssia, joka riippuu suuresti muistin nopeudesta. Nopeampi langaton viestintä mahdollistaa myös uusia älykkäämpiä tuotteita, joissa on monimutkaiset käyttöliittymät ja puheohjaukset, jotka tarvitsevat myös erittäin alhaisen latenssin, jotta vasteesta saataisiin luonnollisen nopea ja koodille olisi riittävästi tilaa.

Toinen erittäin toivottava ominaisuus näiden uusien sovellusten nopeamman ja matalan viiveen suorituskyvyn kannalta on XiP-tekniikka (execute in place), jossa koodi voidaan ajaa suoraan NOR Flashista. XiP-toiminto yksinkertaistaa prosesseja poistamalla tarpeen viedä koodi NOR-flashista DRAM- tai SRAM-muistiin ennen suorittamista. Ainoa rajoitus XiP:n käyttöönotolle NOR-flashissa on se, että toimintataajuuden pitää olla tarpeeksi hidas, jotta flashin käyttöajat pysyisivät ennallaan. Siksi XiP:n toteutus kunnolla uusimmissa sovelluksissa vaatii erittäin korkean suorituskyvyn NOR-muistin.

Tiheämpi ratkaisu nopeammalla suorituskyvyllä

Täyttääkseen näiden uusien sovellusten vaatimukset Winbond on kehittänyt valikoiman 1,8 voltin sarjamuotoisia NOR-piirejä, jotka tarjoavat korkeimman mahdollisen tiheyden ja suorituskyvyn. Uudet laitteet ovat saatavilla 512 megabitin sekä 1 ja 2 gigabitin tiheylksillä kehittyneellä prosessiteknologialla, joka pystyy tukemaan 133 megahertsin ja sitä korkeampia lukutaajuuksia seuraavan sukupolven sovellusten - mukaan lukien XiP-prosessien - vaatiman nopeamman toiminnan vuoksi. Laitteet ovat nastoitukseltaan yhteensopivia muiden saman perheen jäsenten kanssa, mikä mahdollistaa olemassa olevien suunnittelujen päivittämisen ja tallennuskapasiteetin lisäämisen. Suorituskykyä lisäävät myös Dual-I/O- ja Quad-I/O-tyyppiset SPI-liitännät, jotka tarjoavat jopa nelinkertaisen suorituskyvyn nykyiseen Serial Flashiin verrattuna. Tällaisen siirtonopeuden ansiosta XiP-koodi voidaan suorittaa suoraan SPI-liitännän kautta. Nopeampi suorituskyky on myös elintärkeää käynnistysaikojen lyhentämiseksi.

Lisäjoustavuutta

Suunnittelijoille, jotka tarvitsevat haihtumattomalta muistilta enemmän joustavuutta, Windbond on kehittänyt SpiStack W25M -perheen, joka mahdollistaa kahden NO -sirun pinoamisen tai NOR- ja NAND-muistien yhdistämisen samaan laitteeseen. Perheen jäsenet toimitetaan vakiokoteloissa ja ne tarjoavat nopean SpiFlash-liittymän, joka käyttää SPI-liitäntää ja SPI-komentosarjaa.

SpiStack-piirivalikoima tarjoaa nopeimman tavan ajaa onnistuneita OTA-päivityksiä tällä hetkellä. Esimerkiksi yksisiruinen 512 megabitin NOR Flash -piiri koodin tallennusta varten voidaan korvata 512 megabitin SpiStack-piirillä, jossa on kaksi pinottua 256 megabitin NOR-sirua. Kaksisiruinen laite tukee Read While Write -toimintoa OTA-päivityksessä ilman lukutoimintojen keskeyttämistä ja ilman olemassa olevan laiteohjelmiston kuvatiedoston menettämisen riskiä. Heterogeeniset SpiStack-muistit tallentavat koodin NOR-muistiin ja datan NAND-muistiin, minkä avulla NOR-muistilla korjataan Serial NAND -piirin hidas latenssi. Tämä tekniikka tarjoaa NOR-muistin kaltaiset käynnistysajat, mutta kutistaa samalla ohjelmointiajan 90 prosenttia pelkkää NOR-muistia lyhyemmäksi.

Verkon reunalla

Perinteisesti NOR-flashien tiheys on ollut pienempi kuin muilla muistityypeillä, mikä johtuu niiden valmistuksessa käytettävistä vanhemmista puolijohdeprosesseista. Tämä tarkoittaa yleensä sitä, että NOR-muistilla on korkeampi käyttöjännite kuin muilla suunnittelun piireillä. Vaikka tämä ei ole ongelmallista verkkovirtakäyttöisissä laitteissa, sillä voi olla vaikutusta akkukäyttöisten laitteiden käyttöaikaan. Koska tämäntyyppisten tuotteiden suosio kasvaa IoT-toteutusten ja puettavien laitteiden ansiosta, on tärkeää, että muisti ei rasita tarpeettomasti akun suorituskykyä.

Tällaisia käyttötapauksia varten Winbond on kehittänyt 1,2-volttisen W25QxxND-piirien Serial NOR -perheen. Sen suorituskyky on identtinen yrityksen 3 V ja 1,8 V Serial NOR Flashin kanssa, mutta 1,8 voltin piiriin verrattuna virtaa kuluu 33 prosenttia vähemmän. Koska W25QxxND-perheen piirit käyttävät samanlaisia käyttöjännitteitä kuin muut suunnittelun komponentit, tämä yksinkertaistaa myös tehoarkkitehtuuria, vähentää materiaalikuluja ja luo entistä kompaktimpia malleja. Perheen piireissä on Dual- ja Quad SPI- sekä QPI-liitännät (Quad Peripheral Interface).

Tietoturva

OTA-päivitysten lisääntyessä ja langattoman yhteyden tarjoavien laitteiden yleistyessä turvallisuudesta on tulossa kriittinen vaatimus suunnittelijoille. Monet prosessorivalmistajat tarjoavat Secure Element -laitteita turvatoimintojen tarjoamiseen, kuten järjestelmän hakkerointi- tai muokkaamisyritysten havaitsemiseen ja suojattua muistia suojausavainten luomista ja tallentamista varten. Pääsyy siihen, että näitä suojattuja elementtejä ei voida sisällyttää itse prosessoripiirille, on se, että ne perustuvat NOR-flashiin, joka edelläkuvatun mukaisesti on yleensä valmistettu vanhemmissa puolijohdeprosesseissa kuin nykyprosessorit. Tarjotakseen halvemman ja tehokkaamman vaihtoehdon näille suojatuille elementeille Winbond on NOR-flashin kokemuksensa avulla luonut suojatun muistin, joka tarjoaa paremman suorituskyvyn ja tiheyden kuin muut suojatut elementit samalla, kun se korvaa olemassa olevia flash-muisteja. W77Q-sarja tukee suojattua tallennustilaa, turvakäynnistystä, luottamuksen juurta ja joustavuutta, ja tarjoaa samalla vahvan suojan langattomalle päivitykselle ja laitteen todennukselle. W77Q-sarjan suorituskyky on myös riittävän korkea mahdollistamaan XiP-toiminnallisuuden lisäämään turvallisuutta.

Yhteenveto

Seuraavan sukupolven laitesuunnittelut tarjoavat kehittäjille monia haasteita, joissa vaaditaan lisäominaisuuksia, parempaa suorituskykyä, parempaa tietoturvaa ja alhaisempaa virrankulutusta. NOR-flash on jo olennainen osa mitä tahansa suunnittelua, ja uusimpien NOR-tekniikoiden ottaminen käyttöön paitsi lisätä suorituskykyä ja tiheyttä, joita nämä uudet sovellukset vaativat, mutta myös tarjoavat ratkaisun parempaan tietoturvaan ja samalla yksinkertaistavat komponenttien sijoittelua, mikä pienentää virrankulutusta ja vähentää suunnittelun materiaalikuluja. Winbond voi nyt tarjota NOR-ratkaisuja, jotka tarjoavat uusimpien sovellusten vaatiman monipuolisen suorituskyvyn ja suuren tiheyden sekä erikoisominaisuudet ja nastayhteensopivuuden. Ne helpottavat suunnittelijoiden elämää yksinkertaistamalla suunnitteluprosessia.