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这个芯片,是智能互联的关键

木马童年 2021-9-10 06:30 25 0

今天的文章我们来说说存储芯片,特别是它在AIoT智慧互联领域的新兴应用。老规矩,我总结了包含本文全部知识点的思维导图,获取方式见文末。 边缘计算与存储芯片 驱动人工智能发展的最主要的因素分别是算力、算法和数 ...

今天的文章我们来说说存储芯片,特别是它在AIoT智慧互联领域的新兴应用。老规矩,我总结了包含本文全部知识点的思维导图,获取方式见文末。

边缘计算与存储芯片

驱动人工智能发展的最主要的因素分别是算力、算法和数据,也就是计算技术的变革、理论算法的创新,还有海量数据的产生和累积。不管是再先进的算法进步,或者是再强大的算力提升,归根到底都是要对大量的数据进行计算、搬运和存储。

特别是随着自动驾驶、5G、智能家居等等这些物联网相关技术的不断兴起和发展,再加上全球疫情带来的急剧增加的远程沟通和协作的需求,所以会有越来越多的数据源源不断的产生。也有人把数据比作是人工智能时代的石油。这也对数据处理的性能和效率都提出了更加严格的要求。

通常来说,数据中心是处理这些数据的主战场,在这里有成千上万台服务器,也有海量的数据计算传输和存储的硬件资源。但是随着数据量的飞速增长,就给数据中心里芯片的算力、网络的带宽、还有存储的容量带来了非常大的压力和挑战。

慢慢的人们发现,已经不可能把所有数据都传输到数据中心里,处理完毕之后再发送出来。事实上,在前面说的那些源源不断产生的数据里,只有不到1%被进行了有效的处理。所以人们就考虑,能不能直接在数据产生的地方进行数据处理,这样就能在很大程度上减少传输的带宽、存储的空间还有计算的压力。这也就是边缘计算、也就是数据处理网络的边缘进行计算这个概念兴起的主要背景。

这个芯片,是智能互联的关键

边缘计算很重要的一个应用场景就是物联网应用。对于物联网来说,它最初只是一些传感器,还有数据的收发装置,以及一些简单的控制器MCU等等。但是随着数据量的增加,对这些物联网设备的算力需求越来越大,但这只是一方面。

另外很重要的一方面是,这些物联网设备对于成本和功耗也有着非常严格的限制。比如对于可穿戴设备来说,我们不仅希望它能流畅的运行各种应用,采集和感知各种我们运动和生理的数据,还要足够省电,最好能一个星期或者一个月充一次电。

所以对于物联网硬件设备来说,高能效、低功耗、小尺寸这几点都会是这类设备和芯片的未来发展方向。值得注意的是,这里的芯片不仅包括处理器,还包括那些数据传输的模块,传感器模块,还有很重要的就是存储单元、特别是系统的RAM内存。

物联网与AIoT的新型存储技术

对于处理器来说,很多MCU已经可以在功耗和性能上做到很好的平衡,但是存储单元的技术进步却没有那么明显。

最常见的SDRAM的发布时间大概是1994年左右,当时半导体工艺节点还在800纳米,2005年左右诞生了pSRAM,对应90纳米工艺节点,再之后的低功耗SDRAM发布于2007年,当时的工艺节点是65纳米。然后好像关于DRAM的标准定义就停滞不前了。可以看到,在移动设备处理器和内存这两种芯片的标准和工艺之间,存在着比较大的差距和鸿沟。

为了不断填补这个鸿沟,业界在2014年推出了名叫HyperBus的技术,并在2019年做了更新。HyperBus的本质是一种接口技术,相比其他内存的传输控制接口来说,HyperBus的最主要特点是引脚数很少,这就能让电路设计的时候更加简洁、面积也更小。

基于HyperBus技术的内存芯片,就叫做HyperRAM。比如华邦电子就推出了五种不同容量的HyperRAM产品,2021年量产的HyperRAM就基于华邦25纳米工艺生产,容量最高可以扩展到256Mb和512Mb。在性能方面,它可以运行在3V或者1.8V两个工作电压下,最高工作频率可达200MHz,相当于数据传输速率达400MB/s。

和传统的RAM产品动辄3-40个引脚相比,HyperRAM只有13个引脚。这一方面能极大的简化PCB的设计,同时也能让MCU的选择更加灵活。比如我们可以把MCU上多出来的引脚用来做别的事情,或者也可以直接选用更少引脚的MCU,从而降低成本。

HyperRAM引脚数减少的另外一个好处就是能使用更小尺寸的封装,比如华邦面向消费型产品的HyperRAM的封装大小可以达到晶圆级芯片封装,一些封装选项如下所示。

适用于汽车和工业应用:24球8mm x 6mm TFBGA

适用于消费型产品:49球4mm x 4mm WFBGA

适用于IoT等精简尺寸要求:15球晶圆级芯片封装(WLCSP)

良品裸晶圆(KGD)

    使用小尺寸封装可以进一步减少PCB大小,这对于前面提到的智能手表、智能手环等等这些可穿戴式的消费类设备非常重要。

    这个芯片,是智能互联的关键

    除了面积之外,功耗对于物联网设备来说也是至关重要的。比如非常多的IoT设备都是靠电池供电的,很多甚至换电池非常困难、像那些在矿山、油气田、化工厂等等这些危险环境里部署的物联网设备压根就没法换电池。所以这些物联网设备的功耗就直接决定了它们的工作寿命。

    所以对于HyperRAM来说,它在室温和1.8V工作电压之下的待机功耗只有70uW,而相同容量的SDRAM功耗则为2000uW。更重要的是,华邦的HyperRAM还有一个名叫混合睡眠模式的低功耗功能,它可以将设备待机的功耗进一步降低到35uw,远远低于同等容量的其他RAM类型。

    这个芯片,是智能互联的关键

    可以看到,HyperRAM结合了高性能、低功耗、小尺寸这三个对于物联网应用来说至关重要的特点。比如国产FPGA厂商高云半导体,就在它新推出的GoAI 2.0机器学习平台上,把FPGA和华邦的64Mb HyperRAM以系统级封装的形式进行了集成。在这个应用里,HyperRAM可以提供每秒400MB的数据带宽,也可以保证操作系统的正常运行,还能作为TinyML模型的内存,从而支持关键词检测、影像识别等等边缘计算的智能应用。

    AIoT存储芯片的安全性

    我们可能对个人计算机或者数据中心受到黑客攻击这些事情比较熟悉,但可能不为大多数人所知的是,物联网设备受到网络攻击的现象也非常严重。比如2019年,在美国针对物联网设备发动的网络攻击数量同比激增300%。

    更糟糕的是,约有57%的物联网设备难以抵抗这些攻击。比如,有相当一部分攻击是针对那些智能电表、智能气表之类的设备,去修改这些仪表的读数,从而少交或者不交能源的使用费。还有很多攻击是针对的医疗器材和可穿戴领域,去非法获取和收集用户的私人信息等等。要知道,这些攻击带来的损失是巨大的。有数据显示,每次遭受攻击,相关企业需要支付的平均成本为900万美元。

    从硬件角度看,这些安全漏洞主要存在的地方一个是处理单元本身、另外一个就是存储关键程序代码或数据的外部闪存。如果是比较简单的可穿戴产品或者物联网产品,安全性问题主要出现在控制芯片上,比如缺少复杂的密码算法、抗差分功耗分析、密钥加密存储等等。

    随着这些物联网设备的不断进化,控制芯片也变的越来越复杂,要运行的程序也越来越多,并且走向无片内存的制程工艺。这个时候嵌入式内存就不够用、甚至不存在了,必须要使用外接闪存来储存程序代码。但是如果这类外接闪存缺少了必要的安全功能,就会成为系统的主要安全性漏洞。

    为了应对这类安全问题,一个常用的做法就是用安全闪存取代物联网设备里的外部NOR Flash。安全闪存的本质,就是提供一个安全的存储空间,并提供基本的加密身份验证,从而只允许获得授权的主机执行读取和写入操作。

    事实上,除了安全验证之外,还需要有其他的硬件防护功能,才能更好的抵御多种类型的网络攻击。再拿华邦举例,他们有一款名叫TrustME W77Q的多功能安全内存,它就提供了安全启动和信任根、安全即时线上固件更新、系统恢复、安全数据储存等多种安全功能。

    这个芯片,是智能互联的关键

    比如,系统恢复功能可以侦测潜在的攻击行为,并且在攻击发生后自动重启设备,并执行已知的安全代码。而安全信道功能可以实现固件的远程更新,即使控制单元受到入侵,内存也可以将开机程序代码升级成安全的版本,而无需控制单元介入。这样就可以使用已知的安全代码强制主机进入干净开机模式。

    还值得一提的是,安全闪存的封装尺寸和引脚位置通常和标准闪存一样,并且通过标准的SPI NOR Flash指令集进行控制,这就进一步方便了安全闪存的使用。比如华邦就和Secure-IC北京青莲云合作推出了嵌入式系统安全平台,提供贯穿主机系统生命周期的各种服务,比如安全启动和固件更新、生命周期和内存存取的管理等。

    小结

    在当前数据井喷的时代,存储芯片有着愈发重要的意义。特别是在边缘计算和物联网应用里,存储芯片的性能、功耗、尺寸都是非常关键的评价与考量因素,而HyperRAM可以在这三个要素之间取得非常好的平衡。我们介绍了安全闪存的重要性,并且以华邦的TrustME W77Q为例,一起看了它主要的硬件防护功能,包括安全验证、系统恢复、攻击检测、远程更新等等。

    我总结了一个思维导图,包含了本文的全部知识点,大家可以在公众号后台回复“存储”,获取这个思维导图。

    (注:本文仅代表作者个人观点,与任职单位无关。)

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