モノのインターネット (IoT) の不可欠な部分であるマシンツーマシン (M2M) は、同じ通信インフラストラクチャ内の組み込みコンピューティング アプリケーション、プロセッサ、センサー、およびその他のデバイスが、人間の介入を最小限に抑えて相互に通信できるようにする接続テクノロジを指します。M2Mシステム ソリューションには、アプリケーションを簡単に開発するために必要なハードウェア、ホストされたソフトウェア、およびサービスが含まれます。有線および無線通信デバイス、モジュール、アダプタも含まれます。さらに、M2Mソリューションは、リモート資産、エンタープライズ アプリケーションなどを接続する管理、メッセージング、ストレージ サービスも提供します。
複雑な環境では、M2Mデバイスは、特定のインターフェイス (USBなど)、揮発性および不揮発性メモリ スタック、アプリケーション、オペレーティング システム、デバイス ドライバーを備えたスタンドアロン デバイスです。(図1を参照) 通常、M2Mデバイスは、コードの保存に何らかの形式のフラッシュ メモリを使用し、キャッシュやバッファリングの目的でSRAMやDRAMなどの揮発性メモリを使用します。M2Mサービスは非常に多様であるため、その展開には、情報とM2M通信を処理できるホスティング デバイス上のアプリケーションの使用が必要であり、場合によっては、POS (販売時点管理) 端末などの金融取引を処理するアプリケーションに安全な通信チャネルを提供する必要があります。
このようなタイプのシステム環境では、システム メモリ要件が複雑になります。メモリ技術は、ストレージ用に使用される場合でも、新しい種類のデータの処理を可能にしてシステムの効率性を高め、インテリジェンスを高めるために使用される場合でも重要です。適切なコンポーネントを選択するための意思決定プロセスには複数の要素が関係しており、いずれかの要素を犠牲にして他の要素を選ぶことはできません。より安価なソリューションでは、寿命の長いM2M製品に必須である寿命の問題に対処できない可能性があります。この記事では、M2Mアプリケーションに適した不揮発性メモリ (NVM) を選択する際の課題と、考慮すべき重要な要素のいくつかに焦点を当てます。
短距離M2Mソリューションにおけるフラッシュメモリの検討
短距離M2Mソリューションには、ローカル エリア ネットワーク (LAN) やパーソナル エリア ネットワーク (PAN) などの同じネットワーク インフラストラクチャ内のセンサーとデバイスが含まれます。短距離ソリューションには、さまざまな独自のオプションから、Wi-Fi、Bluetooth、Zigbee、Z-Waveなどの標準化されたオプションまで、豊富な無線通信テクノロジが含まれます。これらの標準は、M2M通信の要件に対応し、継続的に増え続けるアプリケーションのリストとの相互運用性をサポートし、確保するために、今後も進化し続けます。
組み込みメモリは、Wi-Fi、Bluetooth、Zigbee、Z-Waveなどを採用した短距離M2Mソリューションの大部分を占めています。組み込みメモリはスペースを節約し、起動時間を短縮し、Execute-in-Place (XiP) の効率を向上させます。ただし、システム開発では考慮しなければならない欠点もあります。
最大の欠点は、組み込みメモリの密度が低いため、最新のソフトウェア リビジョンに対応するためにビットが不足するリスクがあることです。したがって、プログラム コードに十分なビット数を確保し、停電の際に以前のバージョンのイメージを維持するために、128MbシリアルNORまたは1Gb～2Gb NANDフラッシュ メモリなどの外部メモリを設計に組み込むことが賢明です。
組み込みメモリは書き込みサイクルにも制限があり、特にアプリケーションの存続期間中にシステム パラメータ データを複数回更新する必要があるアプリケーションでは、パラメトリック ストレージには適さない可能性があります。この制限はキャッシュ メモリによって克服できますが、追加のシステム コストがかかります。最後の考慮事項は、フラッシュの更新のためのアクティブ システム電力の増加と、消去および書き込みサイクル中の全体的なシステム効率への影響に対応する必要があることです。
長距離M2Mソリューションにおけるフラッシュメモリの検討
長距離M2Mソリューションでは、複数のネットワーク境界を越える大規模なインフラストラクチャ内のセンサーとデバイスの常時接続が必要です。これらのソリューションの最も一般的なアプリケーションはセルラー テクノロジーです。M2Mセルラー モジュールには、2Gバージョンと3G/4Gバージョンがあります。3Gネットワークは、一般的なマイクロプロセッサ ユニット (MPU) アーキテクチャと互換性があり、豊富なリアルタイムのマルチメディアおよびブラウジング エクスペリエンスを実現するグローバルな高速ダウンリンク パケット アクセス (HSDPA) 標準に基づいています。3Gネットワークは、より遅い2Gネットワークよりも国際的な選択肢として引き続き人気があり、加入者数も増加し続けるでしょう。
セルラーベースのIoT接続の数は、今後3年間でほぼ2倍になると予想されています。携帯電話プロバイダーは、大容量データ サービスをより効率的に提供するために、4G LTEネットワークへのアップグレードに注力しています。収益を生み出すM2Mサービスを展開しているモバイル ネットワーク オペレーター (MNO) は、3Gおよび4Gネットワークを活用してネットワーク リソースを活用しています。その結果、M2Mモジュール サプライヤーは、新しいコンポーネント ソリューションと最先端の製造に適応するために、2G認定モジュールを新しい設計から除外しています。したがって、3G M2Mモジュールは市場成長のスイートスポットにあり、2016年までにセルラーM2M接続のほぼ半分を占めると予想されています。
パフォーマンス、密度、コスト、パッケージングの考慮事項
図3は、ソフトウェア スタックを含む一般的なセルラーM2Mモジュールを示しています。フラッシュ メモリの要件は、2Gセルラー モジュールの32Mbから4Gセルラー モジュールの4Gbまでの範囲です。2Gセルラー モジュールはモデム速度が遅く、重要な通信コード用のメモリ フットプリントが32Mb/64Mbと小さくなっています。ここで、NORフラッシュが最適なメモリです。その実行インプレース (XiP) アーキテクチャにより、フラッシュ メモリ外でのコード実行が可能になり、作業メモリまたは拡張キャッシュに必要なPSRAMは16Mb ～ 32Mbのみです。3G/4Gセルラー モジュールには、より高いパフォーマンスと密度の要件があります。重要な通信コードははるかに多く、システムはソフトウェア イメージとJavaミドルウェア バージョンのコピーを保存する必要があります。これにより、NANDフラッシュ メモリの密度要件は4Gbまで高まります。コストの観点から見ると、SLC NANDは1Gb以上の密度に適しています。
ただし、NANDフラッシュに切り替えると、コードをフラッシュから直接実行できなくなり、実行するためにRAMにダウンロードする必要があります。これは、ストア アンド ダウンロード (SnD)、またはコンピューティング メモリ アーキテクチャと呼ばれ、コードをシャドウイングして実行するために外部DRAM要件が大幅に増加します。ただし、DRAMが増加しても、全体的なメモリ ソリューションは、NORフラッシュや低密度のDRAMソリューションと同等の価格になります。
M2Mモジュールはフォーム ファクタが小さいため、個別のフラッシュ コンポーネントとDRAMコンポーネントに比べてボード スペースを大幅に節約できるため、マルチチップ パッケージ (MCP) が好まれます。図5は、3G/4G M2Mモジュールに適合する8 x 9 x 1mmパッケージの1Gb NAND/512Mb LPDRAM MCPソリューションの例を示しています。
製品の寿命
NORフラッシュ メモリは、長いライフサイクルを特徴とする自動車、産業、医療アプリケーションのサポートにおいてNANDフラッシュよりも優れた実績があり、M2Mモジュールの平均寿命は通常10年以上です。NORフラッシュはすべてのメモリ機能を自給自足で処理しますが、NANDはECC、不良ブロック管理、ウェアレベリングなどのメモリ機能の管理をプロセッサに依存します。これにより、形状の変更によってNANDの特性が変わらないようにすることが困難になるため、製品寿命にわたってサポートを延長することが困難になり、NANDテクノロジーが縮小する可能性があります。
ユースケースのシナリオ
システム内メモリ更新機能は、通常約100,000回のプログラムおよび消去サイクルと最低10年間のデータ保持を必要とする組み込みアプリケーションにフラッシュ メモリが提供する重要な利点の1つです。NORフラッシュ メモリは、従来、数世代にわたるジオメトリの縮小を通じてこの要件を満たしてきました。NANDフラッシュメモリの場合、リソグラフィの微細化によって特性が変化します。図6に示すように、30nmジオメトリ未満のテクノロジでは、ECC要件が大幅に増加し、組み込みアプリケーションではPROGRAMおよびERASEサイクルが制限されるため、この影響はさらに顕著になります。
使用ケースのシナリオは、特定のアプリケーションに最適なフラッシュ メモリを選択する上で重要な要素になります。たとえば、電源投入時にコードがDRAMにコピーされ、更新が頻繁に行われないSnDアーキテクチャを採用したアプリケーションでは、特にコード密度の要件が1Gbのメモリを超える場合に、NANDフラッシュのコスト上の利点を活用できます。一方、コードとデータの頻繁な更新により、プログラムおよび消去サイクルの要件が技術的な制限を超えて高くなるM2Mアプリケーションでは、ユース ケース シナリオをより慎重に評価する必要があります。
結論
M2Mデバイスは、製造現場、エネルギー グリッド、医療施設、輸送システムなどの新しい場所をインターネットに接続します。オブジェクトがデジタルで自分自身を表現できる場合、どこからでも制御できます。この接続性により、より多くのデータがより多くの場所から収集され、効率を高め、安全性とセキュリティを向上させる方法が増えます。データ需要の増加により、データの保存と、データの必要に応じてアクションを実行するために必要なビット数が飛躍的に増加します。パフォーマンス、密度、コスト、パッケージング、寿命、ユースケースのシナリオは、M2M製品に適したメモリ ソリューションを選択する上で重要な要素です。