Meningkatkan kinerja dan keamanan di perangkat yang dapat dikenakan IoT

Banyak aplikasi IoT – termasuk mobil yang terhubung, otomatisasi pabrik, kota pintar, kesehatan yang terhubung, dan perangkat yang dapat dikenakan – memerlukan memori yang tidak mudah menguap untuk menyimpan data dan kode. Secara tradisional, aplikasi yang disematkan telah menggunakan memori Flash eksternal untuk tujuan ini.

Namun, karena teknologi semikonduktor modern menghadapi tantangan dalam penskalaan dan biaya saat beralih ke geometri yang lebih kecil, menjadi semakin sulit untuk menanamkan memori Flash dalam SoC host. Oleh karena itu, desain MCU atau SoC masa depan menargetkan system-in-package (SiP) atau penggunaan Flash eksternal. Tren ini tidak menjawab kebutuhan aplikasi IoT seperti perangkat yang dapat dikenakan karena faktor bentuknya yang kecil, kendala biaya yang ketat, dan persyaratan terkait daya yang rendah.

Untuk mengatasi masalah ini, produsen memori Flash sedang mengembangkan arsitektur yang mengoptimalkan ukuran dan konsumsi daya. Pada saat yang sama, mereka memperkenalkan kemampuan baru yang penting yang mendukung daya tahan, keandalan, keamanan, dan keselamatan yang lebih baik.

Ukuran Memori

Perangkat wearable lama dan generasi saat ini memerlukan solusi flash NOR dengan kepadatan rendah untuk menyimpan kode, tetapi mereka membutuhkan kepadatan yang lebih tinggi karena aplikasi menjadi lebih kompleks dan mereka perlu mencatat lebih banyak data. Arsitektur sel baru memungkinkan kapasitas memori yang lebih besar. Misalnya, teknologi MirrorBit dapat menyimpan dua bit per sel dan mendukung produk dengan kepadatan hingga 4 Gb. Peningkatan kepadatan ini memungkinkan ukuran die antara 20% hingga 30% lebih kecil dibandingkan dengan arsitektur NOR Flash gerbang terapung tradisional. Ukuran die yang lebih kecil ini juga meningkatkan fleksibilitas pengemasan untuk memori eksternal. Ukuran cetakan yang lebih kecil adalah pilihan yang cocok untuk solusi SiP atau memori non-volatil eksternal dengan kemasan skala chip tingkat wafer (WLCSP).

Untuk mendukung kecepatan akses ke array memori yang lebih besar, diperlukan antarmuka berkecepatan tinggi. Semper NOR Flash dari Cypress, misalnya, memiliki protokol Quad SPI yang berjalan pada 102 MB/s dan protokol xSPI yang berjalan pada kecepatan 400 MB/s. Antarmuka berkecepatan tinggi diperlukan untuk aplikasi IoT berperforma tinggi serta untuk aplikasi yang memerlukan kemampuan instant-ON dan Execute-in-Place (XiP) dari flash NOR.

Gambar 1. Teknologi seperti MirrorBit sedang dikembangkan oleh produsen memori untuk meningkatkan kepadatan memori. (Sumber:Cypress)

Selain ukuran memori yang lebih besar, arsitektur baru juga lebih fleksibel. Kode, data, dan pencatatan data masing-masing memiliki persyaratan penyimpanan yang berbeda. Dengan arsitektur sektor fleksibel yang memungkinkan pengembang untuk mengonfigurasi ukuran sektor dan menyediakan skema pengalamatan berkelanjutan, menjadi mungkin untuk mengelompokkan memori dengan cara yang paling cocok dengan kode atau data yang disimpan di sana.

Jalankan di Tempat (XiP)

Karena perangkat IoT terus berkembang menjadi lebih banyak variasi aplikasi dan lingkungan operasi, persyaratan untuk keselamatan dan keamanan juga menjadi lebih ketat. Memori yang menyimpan kode harus memungkinkan sistem melakukan booting dari memori, mencatat data sensor, dan menjalankan fungsi XiP. Fungsi-fungsi ini tidak mudah diterapkan dengan arsitektur flash NOR tradisional.

Pertimbangkan aplikasi IoT khas dengan prosesor aplikasi yang memiliki RAM internal yang terhubung ke flash NOR eksternal. Aplikasi ini sering menyimpan kode aplikasi dan data dalam memori flash NOR dan mengunduh semuanya mulai dari flash NOR hingga RAM internal saat dinyalakan. Kasus penggunaan ini disebut “Store and Download” (SnD), yang ditunjukkan pada Gambar 2. Kepadatan RAM internal dari prosesor aplikasi membatasi peningkatan kinerja sistem IoT seperti pembaruan over-the-air yang lebih cepat, peningkatan kinerja tampilan, peningkatan jaringan throughput, peningkatan kinerja audio, fusi sensor melalui SPI/UART, dan operasi aritmatika. Peningkatan tersebut memerlukan perubahan BOM karena kepadatan RAM internal yang terbatas.

Gambar 2. Kasus penggunaan Store and Download (SnD). (Sumber:Cypress)

Gambar 3 menunjukkan bagaimana prosesor dapat menyalin data dari NOR Flash dan mengeksekusi kode dengan XiP langsung dari NOR Flash saat dinyalakan. Dengan pendekatan ini, prosesor memiliki lebih banyak RAM internal yang tersedia untuk peningkatan aplikasi. Oleh karena itu, menggunakan XiP yang diaktifkan oleh NOR Flash memungkinkan aplikasi IoT ditingkatkan tanpa dampak kinerja apa pun.

Gambar 3. Execute in Place (XiP) use case. (Sumber:Cypress)

Biasanya, flash NOR digunakan untuk tujuan membaca cepat acak hanya karena masalah ketahanan dan keandalan. Semua memori flash dapat mengalami degradasi fisik pada jumlah siklus program/penghapusan yang tinggi yang pada akhirnya dapat menyebabkan kegagalan perangkat. Beberapa aplikasi IoT membutuhkan daya tahan tinggi dan retensi tinggi di perangkat flash; retensi atau daya tahan data yang lebih rendah dapat memengaruhi fungsionalitas sistem.

Produsen memori sedang mengerjakan arsitektur baru yang meningkatkan daya tahan sehingga aplikasi sekarang dapat melakukan pencatatan data dengan flash NOR. Misalnya, arsitektur EnduraFlex di Semper Flash Cypress mengoptimalkan desain sistem dengan memungkinkan perangkat Flash dibagi menjadi beberapa partisi. Setiap partisi dapat dikonfigurasi secara independen untuk daya tahan tinggi atau retensi lama. Untuk penulisan data yang sering, sebuah partisi dapat dikonfigurasi untuk mengirimkan hingga 2,56 juta siklus program/penghapusan dibandingkan dengan 100.000 siklus pada perangkat flash NOR biasa. Demikian pula, retensi data juga dapat ditingkatkan, hingga 25 tahun.

Keselamatan dan Keamanan

Kode dan data pengguna yang sensitif (seperti perangkat medis yang dapat dikenakan) harus diamankan, baik dari segi keamanan (yaitu, operasi yang andal dengan mencegah korupsi data) dan keamanan (yaitu, melindungi data dari peretas). Untuk mencapai hal ini, memori menjadi lebih cerdas dan mengintegrasikan prosesor seperti CPU Arm Cortex-M0 yang tertanam untuk menangani algoritma tertanam terkait keselamatan dan keamanan yang kompleks pada chip (lihat Gambar 4). Hal ini meningkatkan keandalan sekaligus membantu meningkatkan kinerja, keselamatan, dan keamanan perangkat.

Gambar 4. Memori Flash NOR saat ini untuk perangkat yang dapat dikenakan memberikan kapasitas yang lebih besar serta banyak fitur keamanan dan keselamatan. Ditampilkan di sini adalah arsitektur memori Flash NOR Semper dari Cypress. (Sumber:Cypress)

Dengan prosesor terintegrasi, NOR Flash juga mampu mendukung berbagai fitur dan diagnostik yang memberikan integritas dan perlindungan data end-to-end. NOR Flash mendukung skema Advanced Sector Protection (ASP) tradisional serta region 1 KB One-Time Programmable (OTP), tetapi fitur ini tidak cukup untuk IoT tertentu atau aplikasi yang dapat dikenakan. Advanced NOR Flash memungkinkan solusi keamanan menyeluruh tambahan, termasuk keamanan cloud-to-flash, update firmware-over-the-air (FOTA) yang aman, dan perlindungan penulisan yang aman.

Efisiensi daya adalah pertimbangan penting lainnya untuk perangkat yang dapat dikenakan. Perangkat yang dapat dikenakan cenderung menggunakan daya aktif perangkat flash NOR untuk waktu yang sangat singkat. Di lain waktu, perangkat flash NOR tetap dalam mode siaga atau mati total. Selain itu, sebagian besar perangkat wearable beroperasi dengan daya baterai. Ini memerlukan perangkat flash NOR dengan arus siaga rendah dan daya mati dalam. Memori Flash NOR hari ini dapat mendukung arus siaga rendah pada urutan 6,5 µA dan arus pemadaman dalam pada urutan 1 A.

Meskipun perangkat yang dapat dikenakan cenderung beroperasi di lingkungan pada suhu kamar, beberapa aplikasi IoT harus dapat berjalan dengan andal pada suhu ekstrem. Untuk aplikasi ini, tersedia memori industri yang dapat menangani suhu sekitar dari -55 °C hingga +125°C.

Kesimpulan

Perangkat yang dapat dikenakan adalah bagian penting dari pertumbuhan pasar IoT di masa depan, dengan persyaratan mulai dari faktor bentuk, daya, dan biaya, hingga keselamatan dan keamanan. Dengan kemajuan teknologi NOR Flash seperti prosesor terintegrasi, memori ini dapat memberikan kepadatan yang lebih besar, daya yang lebih rendah, keamanan yang lebih tinggi, dan kinerja yang lebih baik dalam