Suchen

Endgeräte für das Internet of Things ohne DRAM realisieren

Autor / Redakteur: Conrado Canio * / Michael Eckstein

Effiziente Speicherlösungen können Entwicklern helfen, das Design von IoT-Knoten zu vereinfachen – und gleichzeitig das erlaubte, oft knappe Kostenkorsett nicht zu sprengen.

Ein kostengünstiger LPWAN-SoC, der mit einem seriellen NOR Flash-Speicher verbunden ist.
Ein kostengünstiger LPWAN-SoC, der mit einem seriellen NOR Flash-Speicher verbunden ist.
(Bild: Winbond)

Markbeobachter sind sich weitgehend einig: Die Zahl der über das Internet of Things (IoT) vernetzten industriellen Endgeräte wird in Zukunft rasant zunehmen. Bereits in wenigen Jahren werden etliche Milliarden Stück vielfältigste Aufgaben übernehmen. Einfache mathematische Überlegungen legen nahe, dass die durchschnittlichen Produktionskosten pro Knoten gering sein müssen, da sonst die Wirtschaftlichkeit des IoT einfach nicht realisierbar ist. Die meisten Zulieferer der Elektronikindustrie gehen heute davon aus, dass die Stücklistenkosten (BoM) eines Knotens im Durchschnitt 5 US-Dollar nicht überschreiten dürfen. Die Entwickler dieser Geräte werden also unter extremem Kostendruck stehen.

Einige IoT-Knoten, wie sie beispielsweise in Privathaushalten oder Büros verwendet werden, können leicht verfügbare WLAN- oder Bluetooth-Funkverbindungen nutzen. Diese in der Unterhaltungselektronik weit verbreiteten Technologien lassen sich mit handelsüblichen Komponenten kostengünstig in Endknoten integrieren. Einige Anwendungen – nicht zuletzt im Freifeld – können jedoch weder WLAN noch Bluetooth als Internet-Zugangstechnik nutzen. Stattdessen werden viele wahrscheinlich andere Standard-RF-Technologien verwenden, die eine größere Reichweite bieten als die rund 100 m, die typischerweise mit WLAN oder Bluetooth-Verbindungen maximal möglich sind.

Im prosperierenden Umfeld des „Low Power Wide Area Wireless Networking“ (LPWAN) stehen darüber hinaus weitere Technologien zur Verfügung: LoRaWAN, Sigfox und NB-IoT haben nach Ansicht der meisten Branchenbeobachter heute die besten Chancen auf eine breite Akzeptanz. Für diese Technologien sind handelsübliche, einfach zu verwendende Chipsätze entweder nicht verfügbar oder werden im Vergleich zu den meistverkauften WLAN und Bluetooth-On-Chip-Systemen (SoCs) in relativ geringen Stückzahlen hergestellt.

Entwickler von IoT-Knoten, die sich mit einem LPWAN verbinden soll, stehen daher vor einem Kostenproblem. Wenn jedoch bereits das Funksystem relativ teuer ist, lässt das meist knappe BoM-Budget wenig Spielraum für die verbleibenden Komponenten. Davon gehören Speicherchips zu den teuersten – und bieten somit den größten Spielraum zur Kostenoptimierung. Dieser Artikel erläutert, welche Speicherarchitekturen Entwickler von IoT-Endknoten mit LPWAN-Funk sinnvoll nutzen können. Welche Vorteile bieten verschiedene externe Flash-Speicherlösungen in Abhängigkeit von den Systemanforderungen hinsichtlich Leistung, Speicherkapazität und Systemgröße?

Anwendungen definieren die Speicheranforderungen

Die Konfiguration der internen und externen Speicherkapazität muss unter Berücksichtigung der funktionalen Anforderungen des Systems erfolgen. Diese wiederum hängen maßgeblich von der geplanten Anwendung ab. LPWAN-Konnektivität eignet sich grundsätzlich für ein sehr breites Spektrum von Anwendungen. Zu den möglichen Applikationen zählen:

  • Intelligente Straßenlaternen mit Umgebungssensoren
  • Wertvolle mobile Geräte, die im Freien verwendet werden, wie z. B. temporäre Ampeln oder Baumaschinen
  • Landmaschinen oder sogar Nutztiere

In diesen Beispielen wird ein SoC oder Mikrocontroller sowohl Anwendungscode als auch Systemverwaltungsfunktionen ausführen. Daraus ergibt sich der Speicherbedarf für den Code, für Konfigurationsdaten und für Benutzer- bzw. Anwendungsdaten. In einer Anwendung, bei der die Rechenleistung im Vordergrund steht und die nicht durch ein geringes BoM-Budget eingeschränkt ist, würde eine typische Speicherarchitektur für ein solches System folgende Merkmale aufweisen:

  • Ein High-Speed-DRAM als Zwischenspeicher für den SoC
  • Im SoC integrierter Flash-Speicher
  • Ein externer nichtflüchtiger Speicherchip – je nach Speicherbedarf entweder ein NOR-Flash oder NAND-Flash-Speicher für Konfigurations- und Benutzerdaten.

Aufgrund der geforderten Kostenoptimierung interessieren sich IoT-Systemdesigner jedoch zunehmend für die verschiedenen Architekturoptionen, die die neueste Generation externer Flash-Speicher bietet.

Auch Serial-Flash kann Daten schnell übertragen

Entwickler kostensensitiver IoT-Knoten können von der Verfügbarkeit serieller Flash-Speicher mit sehr hohen Datenübertragungsraten profitieren und damit eine andere Architektur realisieren, als es herkömmliche Modelle ermöglichen. Dank der hohen Geschwindigkeit der heutigen seriellen Flash-Speicher können Entwickler von IoT-Knoten in fast allen Fällen auf den DRAM-Arbeitsspeicher verzichten und einen kostengünstigen SoC mit minimaler interner Flash-Kapazität verwenden. Eine solche Flash-basierte Architektur reduziert die Anzahl der Komponenten, die Systemgröße und die BoM-Kosten, während die von der Anwendung geforderte Leistung unberührt bleibt.

Dass serieller Flash in der Lage sein könnte, ausreichend hohe Datenübertragungsraten zu liefern, um DRAM zu ersetzen, ist auf den ersten Blick eher überraschend. Schließlich besteht der Hauptvorteil von seriellem Flash darin, dass es zuverlässige nichtflüchtige Speicherkapazität in einem kleinen Gehäuse mit sehr niedriger Pinzahl bereitstellen kann – allerdings sollte die niedrige Pinanzahl theoretisch auch eine geringe Bandbreite mit sich bringen.

Doppelpack: Ein SpiStack kombiniert einen seriellen NOR-Flash-Chip mit einem seriellen NAND-Flash-Chip.
Doppelpack: Ein SpiStack kombiniert einen seriellen NOR-Flash-Chip mit einem seriellen NAND-Flash-Chip.
(Bild: Winbond)

Das Gegenteil gilt für Parallel-Flash: Es bietet zahlreiche Kanäle für sehr hohe Bandbreite und Datenraten, erfordert jedoch einen Chip mit vielen Pins und daher mehr Platz und Komplexität auf der Leiterplatte. Hersteller von seriellem Flash haben jedoch im Laufe der Zeit Methoden zur Quadratur des Kreises entwickelt, die die Datenübertragungsrate erhöhen und gleichzeitig kleine Gehäuse mit einer geringen Pinanzahl beibehalten. Jetzt können serielle Flash-Bausteine mit Quad Serial Peripheral Interface (QSPI) oder Quad Peripheral Interface (QPI)-Technologien, die mit einem Takt von bis zu 133 MHz laufen, maximale Datenraten bis zu 66 MBytes/s liefern. Dies ist ausreichend, um die Executive-in-Place-Funktionalität (XiP) zu unterstützen: Dabei führt ein SoC oder Prozessor den Anwendungscode direkt vom externen Flash-Speicher aus, ohne ihn zuvor in das DRAM zu spiegeln. Der DRAM-Baustein kann entfallen. Schneller serieller Flash mit QSPI- oder QPI-Funktionalität kann auch die Ausführung von Pseudo-Cache für häufig ausgeführte Funktionen implementieren, um die Leistung zu steigern.

NOR oder NAND? 512 MBit sind derzeit die Grenze

Ein serieller Flash-Baustein kann alle Speicheranforderungen des Systems erfüllen: Der Speicheradressbereich kann in separate Bereiche für Code und Daten unterteilt werden. Die Firmware wird im Codebereich gespeichert, während der Datenbereich Benutzerdaten und Konfigurationseinstellungen enthält. Da die im Datenbereich gespeicherten Informationen ständig gelöscht und durch neue Daten ersetzt werden, muss dieser Bereich viele Schreib-/Löschzyklen unterstützen. Von den beiden Arten von seriellem Flash – NOR-Flash und NAND-Flash – ist NOR von Natur aus die robustere Technologie und kann zuverlässig ohne Fehlerkorrektur (ECC) betrieben werden. Zum Beispiel sind alle von Winbond gelieferten seriellen NOR-Flash-Bausteine für mindestens 100.000 Schreib-/Löschzyklen ausgelegt.

Für Anwendungen, die eine Flash-Speicherkapazität von weniger als 512 MBit benötigen, ist normalerweise serielles NOR-Flash die günstigste Option. Bei einer Speicherkapazität von 512 MBits oder mehr ist serieller NAND-Flash normalerweise die günstigere Variante. Alle NAND-Flash-Speicher brauchen einen Controller für ihren Betrieb, einschließlich der Erkennung und Korrektur von Speicherfehlern, der Verwaltung fehlerhafter Speicherblöcke (BBM, Bad Block Management) und der Verlagerung bzw. Zuordnung der fehlerhaften Speicherorte an neue, fehlerfreie Speicherplätze. Die seriellen NAND-Flash-Produkte von Winbond, die mit 512 MBit, 1 GBit und 2 GBit erhältlich sind, enthalten Funktionen zum Reduzieren der Aufgaben, die ein externer NAND-Controller ausführen muss. Dazu gehören eine interne ECC und eine Bad Block Management-Funktion. Das NAND-Flash hat einen 1-Bit-ECC für jeweils 528 Byte Speicher.

Bad Block Management erhöht die Zuverlässigkeit

Das serielle NAND mit 1-Bit-ECC ist für mindestens 100.000 Schreib-/Löschzyklen ausgelegt. Das interne Bad Block Management bei Serial-NAND-Flash ermöglicht es, einen Lesezugriff auf einen fehlerhaften Block gemäß den Vorgaben in der internen Lookup-Tabelle (LUT) automatisch einem fehlerfreien Block zuzuordnen. Die LUT kann bis zu 20 Links enthalten. Diese Neuzuordnung bei Zugriffen auf fehlerhafte Blocks über die LUT ermöglicht kontinuierliche Lesevorgänge über Speicherseiten und den gesamten Speicherbereich hinweg und ahmt so die Funktionalität serieller NOR-Speicher nach. Dies steht im Gegensatz zu Serial-NAND-Produkten anderer Hersteller, die nur eingeschränkten Page Read-Zugriff und einen langsameren Lesedurchsatz bieten.

Eine dritte Option, die dem Entwickler eines IoT-Gateways zur Verfügung steht, ist eine Kombination von Flash-Speicherchips in einem einzigen Stacked Package – etwa das SpiStack-Produkt von Winbond. Der SpiStack kann flexibel konfiguriert werden, um zwei oder mehr NOR-Flash-Chips, zwei oder mehr NAND-Flash-Chips oder einen NOR-Chip mit einem NAND-Chip zu kombinieren. Eine typische SpiStack-Konfiguration besteht aus einem seriellen NOR-Flash-Chip zur Codespeicherung in Kombination mit einem seriellen NAND-Flash-Chip zur Datenspeicherung in einem einzelnen 8-Pin-WSON-Gehäuse mit den Abmessungen 8 mm x 6 mm. Diese Lösung bietet den Vorteil flexibler Flash-Speicheroptionen/Kapazitäten bei gleichzeitig geringer Pinzahl: Ein SpiStack-Baustein hat ein einziges 8-poliges Gehäuse und einen einzigen Chip Select-Pin. Die Bereitstellung eines einzelnen Chip-Select-Pins wird durch den Chip-Select-Befehl „C2h“ der Winbond-Software zur Auswahl des aktiven Chips realisiert.

Leistungsaufnahme serieller NOR-Flash-ICs von Winbond beim Active Read, einschließlich der neuen 1,2V Bausteine (grün).
Leistungsaufnahme serieller NOR-Flash-ICs von Winbond beim Active Read, einschließlich der neuen 1,2V Bausteine (grün).
(Bild: Winbond)

Unterschiedliche Anforderungen der IoT-Endknoten

Die in seriellen NOR-, seriellen NAND- und SpiStack-Produkten verfügbaren Speicherdichten erfüllen in der Regel die Anforderungen von IoT-Knoten, die über ein LPWAN verbunden sind. So erfordern z. B. LoRaWAN-Knoten normalerweise einen seriellen NOR-Flash-Speicher mit einer relativ geringen Kapazität von bis zu 16 MBit bei einer Betriebsspannung von entweder 3 V oder 1,8 V. Knoten, die sich über NB-IoT verbinden, benötigen im Allgemeinen höhere serielle NOR-Flash-Kapazitäten von 32 MBit bis 128 MBit und arbeiten mit einer niedrigeren Spannung von 1,8V. Andere Anwendungen, die eine viel größere Datenkapazität von 1 GBit oder mehr benötigen, erfordern einen seriellen NAND-Flash oder SpiStack-Speicher. IoT-Knoten mit LPWAN-Konnektivität sind mobil und häufig akkubetrieben. Daher ist ein geringer Stromverbrauch ein Hauptanliegen des Systementwicklers.

Serielle Flash-ICs sind standardmäßig bei allen Anbietern mit einer Nennspannung von 3 V oder 1,8 V erhältlich. Die 1,8 V-Versionen verbrauchen im aktiven und im Standby-Modus in der Regel weniger Strom. Im Juni 2017 führte Winbond zudem eine neue Serie von seriellen NOR-Flash-ICs mit extrem niedrigem Stromverbrauch ein. Die neuen 1,2-V-Produkte decken einen Betriebsspannungsbereich von 1,14 V bis 1,3 V ab, während die 1,5-V-Bausteine einen breiteren Betriebsspannungsbereich von 1,14 V bis 1,6 V aufweisen. Dadurch ist bei mobilen Geräten ein längerer Akkubetrieb möglich, sowohl wenn die Akkus frisch sind als auch bei abnehmender Akkuspannung. Die neuen Niederspannungsbauteile, die in Kapazitäten von 1 MBit bis 128 MBit erhältlich sind, benötigen im aktiven Modus bei 104 MHz lediglich 4,9 mA und im Power-Down-Modus nur 0,5 µA.

Kosten- und Platzersparnis mit seriellem Highspeed-Flash

Entwickler können also Platz sparen und Anzahl sowie Kosten von Komponenten reduzieren, indem sie ein DRAM-freies Design konfigurieren, das serielles QSPI- oder QPI-Flash mit hoher Geschwindigkeit verwendet und XiP implementiert. Weitere Platzersparnisse ergeben sich durch die Verwendung eines Stacked-Die-Produkts wie SpiStack und neuer serieller 1,2 V- und 1,5 V-NOR-Flash-Bausteine, die den Stromverbrauch in mobilen, akkubetriebenen Anwendungen senken. Auf diese Weise können Entwickler von über LPWAN verbundenen IoT-Knoten mit der neuesten Generation von seriellen Flash-Produkten ihre Leistungsanforderungen erfüllen und gleichzeitig die Komponentenkosten senken, um die enge Zielvorgabe von 5 US-Dollar für die BoM-Kosten des Gesamtsystems zu erreichen.

Dieser Beitrag ist erschienen in der Fachzeitschrift ELEKTRONIKPRAXIS Ausgabe 23/2019 (Download PDF)

* Conrado Canio ist Technical Marketing Manager für Flash Memory Products bei Winbond

(ID:46189325)