Parte integrante dell'Internet of Things (IoT), M2M (Machine-to-Machine) fa riferimento alle tecnologie di connettività che consentono alle applicazioni di elaborazione, ai processori, ai sensori e ad altri dispositivi nella stessa infrastruttura di comunicazione di comunicare tra loro con un intervento umano minimo. Un sistema M2M include l'hardware, il software ospitato e i servizi necessari per sviluppare facilmente le applicazioni. Include inoltre dispositivi di comunicazione cablati e wireless, moduli e adattatori. Inoltre una soluzione M2M fornisce servizi di gestione, messaggistica e archiviazione che collegano le risorse remote, le applicazioni aziendali e tanto altro.
Negli ambienti complessi i dispositivi M2M sono dispositivi indipendenti dotati di un'interfaccia specifica (ad esempio, USB), stack di memoria volatile e non volatile, applicazioni, un sistema operativo e driver di dispositivi. Vedere Figura 1. Solitamente i dispositivi M2M utilizzano qualche forma di memoria Flash per l'archiviazione di codice e una memoria volatile, ad esempio SRAM o DRAM, per la memorizzazione nella cache o il buffer. Poiché i servizi M2M sono così vari, la distribuzione richiede l'utilizzo di applicazioni sul dispositivo di hosting in grado di gestire le informazioni e la comunicazione M2M. In alcuni casi forniscono un canale di comunicazione sicuro per le applicazioni che gestiscono le transazioni finanziarie come i terminali dei punti vendita (POS).
Questi tipi di ambienti di sistema rendono più complessi i requisiti della memoria di sistema. La tecnologia di memoria è importante, sia che venga utilizzata per l'archiviazione o per l'elaborazione di nuovi tipi di dati per migliorare le efficienze e aumentare le informazioni nei sistemi. Nel processo decisionale è necessario tenere in considerazione diversi fattori, che non vanno sacrificati, per selezionare i componenti corretti. Una soluzione meno costosa potrebbe non risolvere i problemi di longevità, che sono un must per i prodotti M2M con durate maggiori. In questo articolo vengono illustrati le sfide relative alla selezione della memoria non volatile corretta per le applicazioni M2M e alcuni fattori chiave da considerare.
Considerazioni sulla memoria Flash per le soluzioni M2M a corto raggio
Le soluzioni M2M a corto raggio comprendono i sensori e i dispositivi nella stessa infrastruttura di rete, ad esempio una rete LAN o una rete PAN. Le soluzioni a corto raggio includono numerose tecnologie di comunicazione wireless che vanno da varie opzioni proprietarie a opzioni standardizzate, ad esempio Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee e Z-Wave. Questi standard continueranno a evolvere per stare al passo con i requisiti delle comunicazioni M2M e per supportare e garantire l'interoperabilità con l'elenco in continua crescita delle applicazioni.
La memoria integrata domina il panorama di soluzioni M2M a corto raggio che impiegano Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee, Z-Wave e altro. La memoria integrata consente di risparmiare spazio, fornisce un tempo di avvio più veloce e aiuta a migliorare l'efficienza Execute-in-Place (XiP). Tuttavia vi sono svantaggi che uno deve tenere in considerazione nello sviluppo del sistema.
Il più grande svantaggio è rappresentato dal fatto che la memoria integrata è a densità ridotta e presenta il rischio di esaurire i bit per utilizzare le ultime revisioni software. Pertanto è prudente integrare una memoria esterna, ad esempio la memoria Flash NOR seriale da 128 Mb o NAND da 1 Gb - 2 Gb, per garantire che vi siano bit sufficienti per il codice di programma e per mantenere un'immagine della versione precedente in caso di interruzioni di alimentazione.
La memoria integrata è inoltre limitata nei cicli di scrittura e potrebbe non essere adatta all'archiviazione parametrica, in particolare nelle applicazioni che devono aggiornare i dati dei parametri di sistema diverse volte nell'arco della durata dell'applicazione. Mentre questa limitazione può essere superata con la memoria cache, comporta costi di sistema aggiuntivi. La considerazione finale è la necessità di sostenere l'aumento dell'alimentazione di sistema attiva per gli aggiornamenti della memoria Flash e il mantenimento dell'efficienza del sistema durante i cicli di cancellazione e scrittura.
Considerazioni sulla memoria Flash per le soluzioni M2M a lungo raggio
Le soluzioni M2M a lungo raggio richiedono una connettività continua per i sensori e i dispositivi nelle grandi infrastrutture che attraversano diversi confini di rete. La tecnologia cellulare è l'applicazione più comune per queste soluzioni. I moduli cellulari M2M sono disponibili nelle versioni 2G e 3G/4G. Le reti 3G si basano sullo standard HSDPA (High-Speed Downlink Packet Access) globale, che è compatibile con le architetture di microprocessori comuni e offre interessanti esperienze multimediali e di ricerca in tempo reale. Le reti 3G continueranno a essere una scelta internazionale diffusa rispetto alle più lenti reti 2G e a conquistare abbonati.
È previsto che il numero di collegamenti IoT basati su cellulare raddoppierà quasi nei prossimi tre anni. I fornitori di cellulari si concentrano sull'aggiornamento alle reti 4G LTE per sostenere più efficientemente i servizi di dati ad alta capacità. Gli operatori di rete mobili che stanno distribuendo i servizi M2M che generano profitti stanno sfruttando le reti 3G e 4G per utilizzare le risorse di rete. Di conseguenza i fornitori di moduli M2M stanno escludendo i moduli certificati 2G dai nuovi progetti per adeguarsi alle soluzioni di componenti più recenti e alla produzione all'avanguardia. I moduli M2M 3G si trovano, pertanto, nel punto ottimale della crescita del mercato e si prevede che occuperanno quasi metà dei collegamenti M2M cellulari entro il 2016.
Considerazioni su prestazioni, densità, costi e imballaggio
Nella figura 3 è illustrato un tipico modulo M2M cellulare, compreso uno stack software. I requisiti della memoria Flash variano da 32 Mb nei moduli cellulari 2G a 4 Gb nei moduli cellulari 4G. I moduli cellulari 2G presentano velocità di modem più lente e hanno un footprint di memoria da 32 Mb/64 Mb più piccolo per il codice di comunicazione critico. Qui la memoria Flash NOR è la memoria preferita: l'architettura Execute-in-Place (XiP) consente l'esecuzione del codice al di fuori della memoria Flash e richiede solo 16 Mb - 32 Mb di PSRAM nella memoria di lavoro o nella cache estesa. I moduli cellulari 3G/4G offrono prestazioni migliori e requisiti di densità maggiori. Il codice di comunicazione critico è molto più alto e il sistema deve archiviare una copia dell'immagine software e delle versioni middleware Java. Ciò aumenta i requisiti di densità fino a 4 Gb per la memoria Flash NAND. Da un punto di vista dei costi, la memoria NAND SLC è un'ottima scelta per le densità da 1 Gb e superiori.
Il passaggio alla memoria Flash NAND significherà, tuttavia, che il codice non può essere eseguito direttamente dalla memoria Flash, ma dovrà essere scaricato nella RAM per l'esecuzione. Questa operazione è denominata archiviazione e download o architettura di memoria di elaborazione e causa l'aumento notevole dei requisiti DRAM esterni per nascondere ed eseguire il codice. Anche con l'incremento della DRAM, tuttavia, la soluzione di memoria complessiva equivarrà in prezzo a una soluzione Flash NOR e DRAM a densità ridotta.
A causa del piccolo fattore di forma dei moduli M2M, i pacchetti multichip (MCP) sono la soluzione preferita perché occupano molto meno spazio sulla scheda rispetto ai componenti Flash e DRAM separati. Nella figura 5 è illustrato un esempio di una soluzione MCP NAND da 1 Gb/LPDRAM da 512 Mb in un pacchetto di dimensioni 8 x 9 x 1 mm che si adatta bene in un modulo M2M 3G/4G.
Longevità del prodotto
La memoria Flash NOR produce risultati migliori rispetto alla memoria Flash NAND nel supporto delle applicazioni automobilistiche, industriali e mediche caratterizzate da cicli di vita lunghi. La durata media standard di un modulo M2M è oltre 10 anni. La memoria Flash NOR è inoltre autosufficiente nella gestione di tutte le funzioni di memoria, mentre NAND dipende dal processore per la gestione di tali funzioni, tra cui ECC, gestione dei blocchi non validi e il livello di usura. Ciò può rendere difficile l'estensione del supporto per la durata del prodotto e tramite la riduzione della tecnologia NAND perché è complesso garantire che le caratteristiche NAND rimangano invariate tramite i cambiamenti geometrici.
Scenari dei casi di utilizzo
La capacità degli aggiornamenti della memoria di sistema è uno dei vantaggi principali che la memoria Flash offre alle applicazioni integrate che solitamente richiedono circa 100.000 cicli di programmazione e cancellazione e almeno 10 anni di memorizzazione dei dati. Tradizionalmente la memoria Flash NOR ha soddisfatto questo requisito tramite diverse generazioni di geometria di ridimensionamento. Nel caso della memoria Flash NAND, la caratteristiche cambiano con la litografia di ridimensionamento. L'effetto è ancora più pronunciato nelle tecnologie sotto la geometria a 30 nm, come illustrato nella figura 6, dove i requisiti ECC aumentano significativamente e i cicli di programmazione e cancellazione sono limitati per le applicazioni integrate.
Lo scenario di un caso di utilizzo diventa un fattore critico nella scelta della memoria Flash più adatta a un'applicazione specifica. Ad esempio, le applicazioni che impiegano l'architettura di archiviazione e download, dove il codice viene copiato nella DRAM durante l'accensione e gli aggiornamenti non sono frequenti, possono sfruttare i vantaggi dei costi della memoria Flash NAND, in particolare quando il requisito della densità del codice eccede 1 Gb di memoria. D'altra parte una valutazione più attenta dello scenario del caso di utilizzo è necessaria per le applicazioni M2M, dove gli aggiornamenti frequenti di codice e dati aumenteranno i requisiti dei cicli di programmazione e cancellazione oltre i limiti della tecnologia.
Conclusione
I dispositivi M2M collegano nuovi luoghi, ad esempio le officine, le reti elettriche, le strutture sanitarie e i sistemi di trasporto, a Internet. Quando un oggetto può rappresentarsi digitalmente, può essere controllato da qualsiasi posizione. Questa connettività significa altri dati, raccolti da più luoghi, con più modi per aumentare l'efficienza e migliorare la sicurezza. L'aumento della richiesta di dati prevede in modo esponenziale i bit necessari per le operazioni di archiviazione ed esecuzione richieste dai dati. Le prestazioni, la densità, i costi, il packaging, la longevità e gli scenari dei casi di utilizzo sono fattori chiave nella scelta della soluzione di memoria ideale per i prodotti M2M.