這個芯片，是智能互聯(lián)的關(guān)鍵

今天的文章我們來說說存儲芯片，特別是它在AIoT智慧互聯(lián)領(lǐng)域的新興應(yīng)用。老規(guī)矩，我總結(jié)了包含本文全部知識點(diǎn)的思維導(dǎo)圖，獲取方式見文末。

邊緣計算與存儲芯片

驅(qū)動人工智能發(fā)展的最主要的因素分別是算力、算法和數(shù)據(jù)，也就是計算技術(shù)的變革、理論算法的創(chuàng)新，還有海量數(shù)據(jù)的產(chǎn)生和累積。不管是再先進(jìn)的算法進(jìn)步，或者是再強(qiáng)大的算力提升，歸根到底都是要對大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算、搬運(yùn)和存儲。

特別是隨著自動駕駛、5G、智能家居等等這些物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)的不斷興起和發(fā)展，再加上全球疫情帶來的急劇增加的遠(yuǎn)程溝通和協(xié)作的需求，所以會有越來越多的數(shù)據(jù)源源不斷的產(chǎn)生。也有人把數(shù)據(jù)比作是人工智能時代的石油。這也對數(shù)據(jù)處理的性能和效率都提出了更加嚴(yán)格的要求。

通常來說，數(shù)據(jù)中心是處理這些數(shù)據(jù)的主戰(zhàn)場，在這里有成千上萬臺服務(wù)器，也有海量的數(shù)據(jù)計算傳輸和存儲的硬件資源。但是隨著數(shù)據(jù)量的飛速增長，就給數(shù)據(jù)中心里芯片的算力、網(wǎng)絡(luò)的帶寬、還有存儲的容量帶來了非常大的壓力和挑戰(zhàn)。

慢慢的人們發(fā)現(xiàn)，已經(jīng)不可能把所有數(shù)據(jù)都傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心里，處理完畢之后再發(fā)送出來。事實(shí)上，在前面說的那些源源不斷產(chǎn)生的數(shù)據(jù)里，只有不到1%被進(jìn)行了有效的處理。所以人們就考慮，能不能直接在數(shù)據(jù)產(chǎn)生的地方進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，這樣就能在很大程度上減少傳輸?shù)膸挕⒋鎯Φ目臻g還有計算的壓力。這也就是邊緣計算、也就是數(shù)據(jù)處理網(wǎng)絡(luò)的邊緣進(jìn)行計算這個概念興起的主要背景。

邊緣計算很重要的一個應(yīng)用場景就是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。對于物聯(lián)網(wǎng)來說，它最初只是一些傳感器，還有數(shù)據(jù)的收發(fā)裝置，以及一些簡單的控制器MCU等等。但是隨著數(shù)據(jù)量的增加，對這些物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的算力需求越來越大，但這只是一方面。

另外很重要的一方面是，這些物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備對于成本和功耗也有著非常嚴(yán)格的限制。比如對于可穿戴設(shè)備來說，我們不僅希望它能流暢的運(yùn)行各種應(yīng)用，采集和感知各種我們運(yùn)動和生理的數(shù)據(jù)，還要足夠省電，最好能一個星期或者一個月充一次電。

所以對于物聯(lián)網(wǎng)硬件設(shè)備來說，高能效、低功耗、小尺寸這幾點(diǎn)都會是這類設(shè)備和芯片的未來發(fā)展方向。值得注意的是，這里的芯片不僅包括處理器，還包括那些數(shù)據(jù)傳輸的模塊，傳感器模塊，還有很重要的就是存儲單元、特別是系統(tǒng)的RAM內(nèi)存。

物聯(lián)網(wǎng)與AIoT的新型存儲技術(shù)

對于處理器來說，很多MCU已經(jīng)可以在功耗和性能上做到很好的平衡，但是存儲單元的技術(shù)進(jìn)步卻沒有那么明顯。

最常見的SDRAM的發(fā)布時間大概是1994年左右，當(dāng)時半導(dǎo)體工藝節(jié)點(diǎn)還在800納米，2005年左右誕生了pSRAM，對應(yīng)90納米工藝節(jié)點(diǎn)，再之后的低功耗SDRAM發(fā)布于2007年，當(dāng)時的工藝節(jié)點(diǎn)是65納米。然后好像關(guān)于DRAM的標(biāo)準(zhǔn)定義就停滯不前了?？梢钥吹?，在移動設(shè)備處理器和內(nèi)存這兩種芯片的標(biāo)準(zhǔn)和工藝之間，存在著比較大的差距和鴻溝。

為了不斷填補(bǔ)這個鴻溝，業(yè)界在2014年推出了名叫HyperBus的技術(shù)，并在2019年做了更新。HyperBus的本質(zhì)是一種接口技術(shù)，相比其他內(nèi)存的傳輸控制接口來說，HyperBus的最主要特點(diǎn)是引腳數(shù)很少，這就能讓電路設(shè)計的時候更加簡潔、面積也更小。

基于HyperBus技術(shù)的內(nèi)存芯片，就叫做HyperRAM。比如華邦電子就推出了五種不同容量的HyperRAM產(chǎn)品，2021年量產(chǎn)的HyperRAM就基于華邦25納米工藝生產(chǎn)，容量最高可以擴(kuò)展到256Mb和512Mb。在性能方面，它可以運(yùn)行在3V或者1.8V兩個工作電壓下，最高工作頻率可達(dá)200MHz，相當(dāng)于數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)400MB/s。

和傳統(tǒng)的RAM產(chǎn)品動輒3-40個引腳相比，HyperRAM只有13個引腳。這一方面能極大的簡化PCB的設(shè)計，同時也能讓MCU的選擇更加靈活。比如我們可以把MCU上多出來的引腳用來做別的事情，或者也可以直接選用更少引腳的MCU，從而降低成本。

HyperRAM引腳數(shù)減少的另外一個好處就是能使用更小尺寸的封裝，比如華邦面向消費(fèi)型產(chǎn)品的HyperRAM的封裝大小可以達(dá)到晶圓級芯片封裝，一些封裝選項如下所示。

適用于汽車和工業(yè)應(yīng)用：24球8mm x 6mm TFBGA

適用于消費(fèi)型產(chǎn)品：49球4mm x 4mm WFBGA

適用于IoT等精簡尺寸要求：15球晶圓級芯片封裝（WLCSP）

良品裸晶圓（KGD）

使用小尺寸封裝可以進(jìn)一步減少PCB大小，這對于前面提到的智能手表、智能手環(huán)等等這些可穿戴式的消費(fèi)類設(shè)備非常重要。

除了面積之外，功耗對于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備來說也是至關(guān)重要的。比如非常多的IoT設(shè)備都是靠電池供電的，很多甚至換電池非常困難、像那些在礦山、油氣田、化工廠等等這些危險環(huán)境里部署的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備壓根就沒法換電池。所以這些物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的功耗就直接決定了它們的工作壽命。

所以對于HyperRAM來說，它在室溫和1.8V工作電壓之下的待機(jī)功耗只有70uW，而相同容量的SDRAM功耗則為2000uW。更重要的是，華邦的HyperRAM還有一個名叫混合睡眠模式的低功耗功能，它可以將設(shè)備待機(jī)的功耗進(jìn)一步降低到35uw，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于同等容量的其他RAM類型。

可以看到，HyperRAM結(jié)合了高性能、低功耗、小尺寸這三個對于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用來說至關(guān)重要的特點(diǎn)。比如國產(chǎn)FPGA廠商高云半導(dǎo)體，就在它新推出的GoAI 2.0機(jī)器學(xué)習(xí)平臺上，把FPGA和華邦的64Mb HyperRAM以系統(tǒng)級封裝的形式進(jìn)行了集成。在這個應(yīng)用里，HyperRAM可以提供每秒400MB的數(shù)據(jù)帶寬，也可以保證操作系統(tǒng)的正常運(yùn)行，還能作為TinyML模型的內(nèi)存，從而支持關(guān)鍵詞檢測、影像識別等等邊緣計算的智能應(yīng)用。

AIoT存儲芯片的安全性

我們可能對個人計算機(jī)或者數(shù)據(jù)中心受到黑客攻擊這些事情比較熟悉，但可能不為大多數(shù)人所知的是，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備受到網(wǎng)絡(luò)攻擊的現(xiàn)象也非常嚴(yán)重。比如2019年，在美國針對物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備發(fā)動的網(wǎng)絡(luò)攻擊數(shù)量同比激增300%。

更糟糕的是，約有57%的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備難以抵抗這些攻擊。比如，有相當(dāng)一部分攻擊是針對那些智能電表、智能氣表之類的設(shè)備，去修改這些儀表的讀數(shù)，從而少交或者不交能源的使用費(fèi)。還有很多攻擊是針對的醫(yī)療器材和可穿戴領(lǐng)域，去非法獲取和收集用戶的私人信息等等。要知道，這些攻擊帶來的損失是巨大的。有數(shù)據(jù)顯示，每次遭受攻擊，相關(guān)企業(yè)需要支付的平均成本為900萬美元。

從硬件角度看，這些安全漏洞主要存在的地方一個是處理單元本身、另外一個就是存儲關(guān)鍵程序代碼或數(shù)據(jù)的外部閃存。如果是比較簡單的可穿戴產(chǎn)品或者物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品，安全性問題主要出現(xiàn)在控制芯片上，比如缺少復(fù)雜的密碼算法、抗差分功耗分析、密鑰加密存儲等等。

隨著這些物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的不斷進(jìn)化，控制芯片也變的越來越復(fù)雜，要運(yùn)行的程序也越來越多，并且走向無片內(nèi)存的制程工藝。這個時候嵌入式內(nèi)存就不夠用、甚至不存在了，必須要使用外接閃存來儲存程序代碼。但是如果這類外接閃存缺少了必要的安全功能，就會成為系統(tǒng)的主要安全性漏洞。

為了應(yīng)對這類安全問題，一個常用的做法就是用安全閃存取代物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備里的外部NOR Flash。安全閃存的本質(zhì)，就是提供一個安全的存儲空間，并提供基本的加密身份驗證，從而只允許獲得授權(quán)的主機(jī)執(zhí)行讀取和寫入操作。

事實(shí)上，除了安全驗證之外，還需要有其他的硬件防護(hù)功能，才能更好的抵御多種類型的網(wǎng)絡(luò)攻擊。再拿華邦舉例，他們有一款名叫TrustME W77Q的多功能安全內(nèi)存，它就提供了安全啟動和信任根、安全即時線上固件更新、系統(tǒng)恢復(fù)、安全數(shù)據(jù)儲存等多種安全功能。

比如，系統(tǒng)恢復(fù)功能可以偵測潛在的攻擊行為，并且在攻擊發(fā)生后自動重啟設(shè)備，并執(zhí)行已知的安全代碼。而安全信道功能可以實(shí)現(xiàn)固件的遠(yuǎn)程更新，即使控制單元受到入侵，內(nèi)存也可以將開機(jī)程序代碼升級成安全的版本，而無需控制單元介入。這樣就可以使用已知的安全代碼強(qiáng)制主機(jī)進(jìn)入干凈開機(jī)模式。

還值得一提的是，安全閃存的封裝尺寸和引腳位置通常和標(biāo)準(zhǔn)閃存一樣，并且通過標(biāo)準(zhǔn)的SPI NOR Flash指令集進(jìn)行控制，這就進(jìn)一步方便了安全閃存的使用。比如華邦就和Secure-IC北京青蓮云合作推出了嵌入式系統(tǒng)安全平臺，提供貫穿主機(jī)系統(tǒng)生命周期的各種服務(wù)，比如安全啟動和固件更新、生命周期和內(nèi)存存取的管理等。

小結(jié)

在當(dāng)前數(shù)據(jù)井噴的時代，存儲芯片有著愈發(fā)重要的意義。特別是在邊緣計算和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用里，存儲芯片的性能、功耗、尺寸都是非常關(guān)鍵的評價與考量因素，而HyperRAM可以在這三個要素之間取得非常好的平衡。我們介紹了安全閃存的重要性，并且以華邦的TrustME W77Q為例，一起看了它主要的硬件防護(hù)功能，包括安全驗證、系統(tǒng)恢復(fù)、攻擊檢測、遠(yuǎn)程更新等等。

我總結(jié)了一個思維導(dǎo)圖，包含了本文的全部知識點(diǎn)，大家可以在公眾號后臺回復(fù)“存儲”，獲取這個思維導(dǎo)圖。

（注：本文僅代表作者個人觀點(diǎn)，與任職單位無關(guān)。）