IoT 웨어러블의 성능 및 보안 개선

커넥티드 카, 공장 자동화, 스마트 시티, 커넥티드 헬스, 웨어러블을 비롯한 많은 IoT 애플리케이션에는 데이터와 코드를 저장하기 위한 비휘발성 메모리가 필요합니다. 전통적으로 임베디드 애플리케이션은 이러한 목적으로 외부 플래시 메모리를 사용했습니다.

그러나 최신 반도체 기술이 더 작은 형상으로 이동함에 따라 확장 및 비용 문제에 직면함에 따라 호스트 SoC 내에 플래시 메모리를 내장하는 것이 점점 더 어려워지고 있습니다. 따라서 미래의 MCU 또는 SoC 설계는 SiP(시스템 인 패키지) 또는 외부 플래시 사용을 목표로 합니다. 이러한 추세는 소형 폼 팩터, 엄격한 비용 제약 및 저전력 관련 요구 사항으로 인해 웨어러블과 같은 IoT 애플리케이션의 요구 사항을 해결하지 못합니다.

이러한 문제를 해결하기 위해 플래시 메모리 제조업체는 크기와 전력 소비를 최적화하는 아키텍처를 개발하고 있습니다. 동시에 더 나은 내구성, 안정성, 보안 및 안전성을 지원하는 중요한 새 기능을 도입하고 있습니다.

메모리 크기

레거시 및 현재 세대 웨어러블은 코드를 저장하기 위해 저밀도 NOR 플래시 솔루션이 필요하지만 애플리케이션이 더 복잡해지고 더 많은 데이터를 기록해야 함에 따라 더 높은 밀도가 필요합니다. 새로운 셀 아키텍처는 더 큰 메모리 용량을 가능하게 합니다. 예를 들어 MirrorBit 기술은 셀당 2비트를 저장할 수 있으며 최대 4Gb의 밀도 제품을 지원합니다. 이러한 밀도 증가로 인해 기존 플로팅 게이트 NOR 플래시 아키텍처에 비해 다이 크기가 20~30% 더 작아졌습니다. 이 더 작은 다이 크기는 또한 외부 메모리에 대한 패키징 유연성을 높입니다. 더 작은 다이 크기는 SiP 솔루션 또는 WLCSP(웨이퍼 레벨 칩 스케일 패키징)가 있는 외부 비휘발성 메모리에 적합한 옵션입니다.

더 큰 메모리 어레이에 대한 액세스 속도를 지원하려면 고속 인터페이스가 필요합니다. 예를 들어 Cypress의 Semper NOR Flash에는 102MB/s로 실행되는 Quad SPI 프로토콜과 400MB/s 속도로 실행되는 xSPI 프로토콜이 있습니다. 고속 인터페이스는 고성능 IoT 애플리케이션은 물론 NOR 플래시의 Instant-ON 기능과 Execute-in-Place(XiP)가 필요한 애플리케이션에 필요합니다.

그림 1. MirrorBit과 같은 기술은 메모리 밀도를 개선하기 위해 메모리 제조업체에서 개발하고 있습니다. (출처:Cypress)

더 큰 메모리 크기 외에도 새로운 아키텍처는 더 유연합니다. 코드, 데이터 및 데이터 로깅은 각각 저장 요구 사항이 다릅니다. 개발자가 섹터 크기를 구성하고 지속적인 주소 지정 체계를 제공할 수 있는 유연한 섹터 아키텍처를 사용하면 거기에 저장된 코드나 데이터와 가장 잘 일치하는 방식으로 메모리를 분할할 수 있습니다.

현장 실행(XiP)

IoT 장치가 점점 더 다양한 애플리케이션과 운영 환경으로 확장됨에 따라 안전과 보안에 대한 요구 사항도 더욱 엄격해지고 있습니다. 코드를 저장하는 메모리는 시스템이 메모리에서 부팅하고, 센서 데이터를 기록하고, XiP 기능을 수행할 수 있도록 해야 합니다. 이러한 기능은 기존 NOR 플래시 아키텍처로 구현하기 쉽지 않습니다.

외부 NOR 플래시에 연결된 내부 RAM이 있는 애플리케이션 프로세서가 있는 일반적인 IoT 애플리케이션을 고려하십시오. 이러한 애플리케이션은 종종 애플리케이션 코드와 데이터를 NOR 플래시 메모리에 저장하고 전원을 켤 때 NOR 플래시에서 내부 RAM으로 모든 것을 다운로드합니다. 이 사용 사례를 "저장 및 다운로드"(SnD)라고 하며 그림 2에 나와 있습니다. 애플리케이션 프로세서의 내부 RAM 밀도는 더 빠른 무선 업데이트, 향상된 디스플레이 성능, 향상된 네트워킹과 같은 IoT 시스템 성능 향상을 제한합니다. 처리량, 향상된 오디오 성능, SPI/UART를 통한 센서 융합 및 산술 연산. 이러한 개선을 위해서는 제한된 내부 RAM 밀도로 인해 BOM 변경이 필요합니다.

그림 2. 저장 및 다운로드(SnD) 사용 사례. (출처:Cypress)

그림 3은 프로세서가 NOR 플래시에서 데이터를 복사하고 전원을 켤 때 NOR 플래시에서 직접 XiP로 코드를 실행하는 방법을 보여줍니다. 이 접근 방식을 통해 프로세서는 애플리케이션 개선을 위해 더 많은 내부 RAM을 사용할 수 있습니다. 따라서 NOR Flash에서 지원하는 XiP를 사용하면 성능에 영향을 주지 않고 IoT 애플리케이션을 개선할 수 있습니다.

그림 3. Execute in Place(XiP) 사용 사례. (출처:Cypress)

일반적으로 NOR 플래시는 내구성 및 안정성 문제 때문에 임의의 빠른 읽기 목적으로만 사용됩니다. 모든 플래시 메모리는 많은 수의 프로그램/지우기 주기에서 물리적 성능 저하를 일으켜 결국 장치 오류로 이어질 수 있습니다. 일부 IoT 애플리케이션은 플래시 장치에서 높은 내구성과 높은 유지력을 필요로 합니다. 낮은 데이터 보존 또는 내구성은 시스템 기능에 영향을 미칠 수 있습니다.

메모리 제조업체는 애플리케이션이 이제 NOR 플래시를 사용하여 데이터 로깅을 수행할 수 있도록 내구성을 향상시키는 새로운 아키텍처를 개발하고 있습니다. 예를 들어, Cypress Semper Flash의 EnduraFlex 아키텍처는 플래시 장치를 여러 파티션으로 나눌 수 있도록 하여 시스템 설계를 최적화합니다. 각 파티션은 높은 내구성 또는 장기 보존을 위해 독립적으로 구성할 수 있습니다. 빈번한 데이터 쓰기의 경우 일반적인 NOR 플래시 장치의 100,000주기와 비교하여 최대 256만 프로그램/지우기 주기를 제공하도록 파티션을 구성할 수 있습니다. 마찬가지로 데이터 보존도 최대 25년까지 향상될 수 있습니다.

안전 및 보안

코드와 민감한 사용자 데이터(예:의료용 웨어러블)는 안전(즉, 데이터 손상을 방지하여 안정적인 작동)과 보안(즉, 해커로부터 데이터를 보호) 측면에서 모두 보호되어야 합니다. 이를 달성하기 위해 메모리는 더욱 스마트해지고 있으며 임베디드 Arm Cortex-M0 CPU와 같은 프로세서를 통합하여 칩에서 복잡한 안전 및 보안 관련 임베디드 알고리즘을 처리합니다(그림 4 참조). 이는 장치 성능, 안전 및 보안을 개선하는 데 도움이 되는 동시에 안정성을 향상시킵니다.

그림 4. 오늘날 웨어러블용 NOR 플래시 메모리는 더 큰 용량과 많은 보안 및 안전 기능을 제공합니다. 다음은 Cypress의 Semper NOR 플래시 메모리 아키텍처입니다. (출처:Cypress)

통합 프로세서를 통해 NOR Flash는 종단 간 데이터 무결성 및 보호를 제공하는 다양한 기능과 진단을 지원할 수도 있습니다. NOR Flash는 기존 ASP(Advanced Sector Protection) 체계와 1KB OTP(One-Time Programmable) 영역을 지원하지만 이러한 기능은 특정 IoT 또는 웨어러블 애플리케이션에 충분하지 않습니다. 고급 NOR 플래시는 클라우드 간 보안, 보안 FOTA(펌웨어 무선 통신) 업데이트 및 보안 쓰기 보호를 비롯한 추가 종단 간 보안 솔루션을 지원합니다.

전력 효율성은 웨어러블의 또 다른 중요한 고려 사항입니다. 웨어러블 장치는 NOR 플래시 장치의 유효 전력을 매우 짧은 시간 동안 사용하는 경향이 있습니다. 다른 모든 시간에는 NOR 플래시 장치가 대기 또는 최대 절전 모드로 유지됩니다. 또한 대부분의 웨어러블 장치는 배터리 전원으로 작동합니다. 이를 위해서는 대기 및 딥 파워 다운 전류가 낮은 NOR 플래시 장치가 필요합니다. 오늘날의 NOR 플래시 메모리는 6.5µA 정도의 낮은 대기 전류와 1µA 정도의 딥 파워 다운 전류를 지원할 수 있습니다.

웨어러블 장치는 실온의 환경에서 작동하는 경향이 있지만 일부 IoT 애플리케이션은 극한의 온도에서도 안정적으로 실행할 수 있어야 합니다. 이러한 애플리케이션의 경우 -55°C ~ +125°C의 주변 온도를 처리할 수 있는 산업용 메모리를 사용할 수 있습니다.

결론

웨어러블 장치는 폼 팩터, 전력 및 비용에서 안전 및 보안에 이르기까지 다양한 요구 사항과 함께 미래 IoT 시장 성장의 중요한 부분입니다. 통합 프로세서와 같은 NOR 플래시 기술의 발전으로 이러한 메모리는 더 높은 밀도, 더 낮은 전력, 더 높은 보안 및 더 나은 성능을 제공할 수 있습니다.