根據 Ericsson 在 2020 年 6 月發佈的行動裝置市場報告指出,包括 NB-IoT 和 Cat-M 在內的大規模物聯網 (Massive IoT) 將持續部署到全球各地。但由於新冠肺炎阻礙了運輸,使得滲透率低於我們的預期,大部分物聯網應用仍經由 2G 或 3G 技術連接。2019 年大規模物聯網應用的數量估計增長了兩倍,到 2020 年底將達到約 1 億部裝置。
對 3GPP 標準進程來說,無論是 NB-IoT 或 Cat-M,Release 15 都強化了穩定性和應用領域。已於 2020 年 7 月 3 日凍結的 Release 16 將進一步提高網路效率,並將目前的 NB-IoT 部署在 5G 環境中運行。未來,Release 17 將擴展頻寬聚合和更低延遲的規格,繼續開發及探索潛在應用,以帶動 5G NR 基礎的行動網路物聯網的普及率.
半導體廠商針對物聯網採取的行動
對於物聯網應用,為了在市場上獲得廣泛採用,必須滿足各種設計考量因素,例如低成本、低功耗和運算效率。尤其,對於電池供電的裝置 (例如智慧型喇叭和智慧型電錶) 而言,除了豐富的物聯網功能和易於使用的人機介面,電池壽命也成為產品成功與否的關鍵,因此低功耗因素變得越來越重要。為了實現較長的電池壽命,除了使用低功耗 MCU,還應考慮其他低功耗的周邊元件。
圖 1 行動裝置方塊圖
圖. 1 中的許多行動裝置採用相似的架構,這類的方塊圖適用於平板電腦或智慧型手錶中。Wi-Fi/BT 和行動網路模組負責通訊。感測器 (如觸控式面板) 專用於收集外部資訊,並將資訊轉寄給應用處理器。NOR/NAND 負責儲存程式碼/資料,而 DRAM 則用於暫時性的處理。為此,許多 MCU 供應商正在開發效能更高、功耗更低的新一代 MCU,以滿足市場需求。此外,從整體系統設計的角度來看,與 MCU 搭配使用的 DRAM 也需要新的選擇,以提供比現有 SDRAM、低功耗 SDRAM 和 CRAM/PSRAM 更佳的優勢。這些 DRAM 標準定義過於陳舊,已無法跟上表 1 所列出的最新技術。
SDRAM | LPSDRAM | CRAM/pSRAM | HyperRAM™ | |
標準發佈時間 | 1994 年 | 2007 年 | 2005 年 | 2019 年 (2.0), 2014 年 (1.0) |
標準發佈時的邏輯處理節點 | 800nm | 65nm | 90nm | 7nm |
表一
支援 HyperBus™ 介面的 HyperRAM™ 是能滿足此一需求的最新技術解決方案。HyperBus™ 技術由 Cypress 於 2014 年首次發佈,後來於 2015 年推出其首款 HyperRAM™ 產品。考慮到市場需求,華邦電子決定加入 HyperRAM™ 陣營,並推出 32Mb/64Mb/128Mb 密度的產品。
HyperRAM™ 使用優勢
HyperRAM™ 僅具備 13 個訊號 IO 腳位,可大簡化 PCB 的佈局設計。這也意味著,在設計最終產品時,它能讓 MCU 將更多腳位用於其他目的,或讓 MCU 使用更少的腳位,以提升成本效益。如圖 2 所示,與類似的 DRAM (如低功耗 DRAM、SDRAM 和 CRAM/PSRAM) 相比,HyperRAM™ 只要最少的腳位數便能實現近似的處理量 (333MB/s)。
圖 2 IO 腳位比較
簡化控制介面是 HyperRAM™ 的另一項技術特色,PSRAM 只有 9 個狀態,相較下 LPSDRAM 為 18 個。流動狀態越少,DRAM 控制器所需的複雜度就越低。詳細區別可參閱圖 3。
例如,HyperRAM™ 係以 PSRAM 架構為基礎,是能夠自我更新的 RAM。而且,它可以自動恢復為待機模式。因此,系統記憶體更易於使用,韌體和驅動程式的開發也會更簡單。
圖 3 LPSDR 和 HyperRAM™ 之間的狀態流動差異
由於 HyperRAM™ 是近幾年才開發的,因此它可以採用最新型的半導體製程節點和封裝技術,使其封裝尺寸比其他 DRAM 都要小。圖 4 為 JEDEC、PSRAM 和 HyperRAM™ 定義的 SDRAM 大小之間的比較。
圖 4 封裝尺寸比較
物聯網裝置的關鍵
功耗對於 IoT 裝置至關重要,因為裝置大多由電池供電。降低功耗不僅可以節省用電,還可以減少充電和更換的成本。以華邦的 64Mb HyperRAM™ 為例,其待機耗電量為 90uW (1.8V 下),而相同容量的 SDRAM 的耗電量則是 2000uW (3.3V 下)。更重要的是,HyperRAM™ 在混合睡眠模式下的耗電量僅 45uW (1.8V 下),與 SDRAM 在待機模式下的耗電量有明顯差異 (表 2)。另一方面,即使採用低功耗的 SDRAM,其耗電量和外形尺寸仍較 HyperRAM™ 更大。
SDRAM | CRAM | LPSDRAM | HyperRAMTM | HyperRAM™ (Hybrid Sleep Mode) | |
電壓 (V) | 3.3 | 1.8 | 1.8 | 1.8 | 1.8 |
待機耗電量 (uW | 2000 | 400 | 160 | 90 | 40 |