| 嵌入式系統(tǒng)采用Serial NAND Flash做為AI系統(tǒng)儲存內(nèi)存的優(yōu)勢 |
| 日期：2020/12/4 10:50:22 作者： |
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對于人工智能（AI）帶來的創(chuàng)新潛能，各個市場領(lǐng)域的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)商皆展現(xiàn)濃厚興趣。但其實若就創(chuàng)新角度來看，似乎顯得有點奇怪，畢竟AI的基礎(chǔ)技術(shù)本身并非嶄新概念：植基在IBM的超級計算機“深藍（Deep Blue）”的AI系統(tǒng)早在1997年就擊敗了西洋棋世界冠軍Garry Kasparov。
盡管如此，在此重大突破后的20年來，推展各種AI技術(shù)的進程卻相當(dāng)緩慢。這些技術(shù)直到2010年代后期才被整合，使得AI躋身嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的主流技術(shù)之列，而此推展之路由于兩大因素變得平順許多：第一是業(yè)界可取得采用大量傳感器的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)所產(chǎn)生的龐大訓(xùn)練數(shù)據(jù)庫；還有透過YouTube、Instagram、Snapchat與Facebook Live等熱門平臺，業(yè)界也首度取得大量被標(biāo)注的影像、影片與其他形式的數(shù)據(jù)。
第二個因素則是嵌入式系統(tǒng)主要裝置所具備的能力，如應(yīng)用處理器、系統(tǒng)單芯片（SoC）或可程序化邏輯門陣列（FPGA）皆達到可以充當(dāng)推論引擎的臨界點。這代表這些安裝可執(zhí)行機器學(xué)習(xí)算法的裝置系統(tǒng)，能解讀圖像文件案并且辨識諸如貓、狗等物體。
如今，AI技術(shù)預(yù)期將迅速被應(yīng)用至嵌入式系統(tǒng)，根據(jù)市場研調(diào)機構(gòu)IDC預(yù)測，截至2023年，采用邊緣運算系統(tǒng)的AI處理器的市場年復(fù)合成長率將達65%。但這波采用AI技術(shù)的趨勢，也引發(fā)嵌入式系統(tǒng)開發(fā)商采用的程序代碼儲存內(nèi)存（code storage）是否合宜的問題。
今日，SPI NOR Flash是儲存嵌入式系統(tǒng)啟動碼與應(yīng)用程序代碼的首選內(nèi)存類型。不過，為了因應(yīng)最新AI應(yīng)用所產(chǎn)生的更龐大代碼鏈接庫，SPI NOR Flash面臨必須提供更高內(nèi)存儲存容量的壓力。此外，今日應(yīng)用軟件豐富的嵌入式系統(tǒng)往往需要不定期地進行在線更新，以便執(zhí)行安全性修補與新增功能。此不定期更新功能則使SPI NOR Flash寫入速度成為矚目焦點。
本文認(rèn)為，就儲存系統(tǒng)啟動碼與應(yīng)用程序代碼而言，嵌入式系統(tǒng)開發(fā)商應(yīng)該抱持開放態(tài)度看待以Serial NAND Flash取代SPI NOR Flash所帶來的潛在效益，同時也應(yīng)該重新檢視對于NAND可靠性、壽命與效能的既有刻版印象。
NOR Flash的微縮問題
過往，SPI NOR Flash因提供可靠的儲存內(nèi)存而深獲市場青睞，這是由于NOR Flash本質(zhì)上穩(wěn)健且數(shù)據(jù)保存期可達10萬小時以上。
根據(jù)市場調(diào)研機構(gòu)Web Feet Research 于2018年發(fā)表的數(shù)據(jù)，華邦電子就產(chǎn)量與產(chǎn)值而言，無疑穩(wěn)坐全球SPI NOR Flash制造龍頭寶座，提供的產(chǎn)品線涵蓋從最小容量的3.0V 512Kb以及1.8V 1Mb到最高容量可達2Gb的SPI NOR。華邦先進NOR Flash晶圓現(xiàn)采用58納米制程制造；根據(jù)發(fā)展路徑，將微縮至45納米制程。然而，相比于依循摩爾定律的制程微縮進度，NOR Flash制程技術(shù)進程在近年來已經(jīng)大幅減緩。
此緩慢進程困擾了許多開始采用AI技術(shù)的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)商，因為他們所采用的AI應(yīng)用需要更復(fù)雜、更龐大的軟件程序代碼。因此，開發(fā)商將越來越需要1Gb以上的內(nèi)存儲存容量，在這儲存容量的范圍間，就每位成本而言，Serial NAND Flash明顯勝出。
有別于SPI NOR Flash產(chǎn)品線，NAND Flash在制程節(jié)點微縮上大致跟隨摩爾定律，從46納米、32納米、2x納米一路微縮至1x幾納米。近來，3D NAND結(jié)構(gòu)的發(fā)展也使 NAND Flash制造商得以持續(xù)提升1x納米制程節(jié)點后的產(chǎn)品內(nèi)存密度。
由于在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)里，晶粒面積與產(chǎn)品成本息息相關(guān)，制造Serial NAND所采的制程納米節(jié)點若持續(xù)微縮，其成本在1Gb以上的高密度儲存領(lǐng)域，便會大幅低于SPI NOR產(chǎn)品。
此外，今日的智能連網(wǎng)裝置大多具備實時在線韌體更新（OTA）能力以執(zhí)行安全修復(fù)或功能升級。就這方面來看，SPI NOR也是處于劣勢。在典型的OTA更新運作的例子中，最新代碼在快閃數(shù)組中覆寫備用的代碼，以便在下次啟動后，改為執(zhí)行最新代碼。因此，在此情況下更新效能的關(guān)鍵參數(shù)便是寫入時間與抹除時間，就這點而言，Serial NAND也勝過SPI NOR內(nèi)存。
NAND Flash評價問題
盡管在軟件豐富的嵌入式AI應(yīng)用上，Serial NAND Flash具備成本與效能優(yōu)勢，但仍需嵌入式系統(tǒng)社群改變心態(tài)，愿意將Serial NAND視為啟動與應(yīng)用程序代碼的儲存方案。一直以來，他們局限于NAND的用途僅在于超高容量的數(shù)據(jù)儲存上，對于Serial NAND Flash產(chǎn)生了先入為主的看法。
就筆記本電腦或平板的固態(tài)硬盤（SSD）而言，制造商為了獲得高儲存容量以及低廉的每位成本，便犧牲數(shù)據(jù)的完整性與數(shù)據(jù)保存年限，轉(zhuǎn)而采用最新3D多層單元技術(shù)。在現(xiàn)實世界中，為了采用最新1x制程節(jié)點制造超低成本內(nèi)存，讓用戶的音樂或影片檔案隨時間過去出現(xiàn)一些位的損壞或遺失，是可以接受的折衷方案。
然而，對于儲存系統(tǒng)啟動碼或是應(yīng)用程序代碼而言，使用高穩(wěn)定度SLC架構(gòu)的Serial NAND Flash則是最佳選擇，與先進/超低成本3D NAND各有所長。
Serial NAND講求效能與可靠性
為了提供從SPI NOR到Serial NAND Flash在AI應(yīng)用內(nèi)存儲存上的轉(zhuǎn)移路徑，華邦電子已完善其Serial NAND制程與串行式接口以提供：
- 快速讀取效能
- 快速寫入/抹除效能
- 與SPI NOR同等的界面兼容性
- 高度數(shù)據(jù)完整性與長時間數(shù)據(jù)保存
華邦電子QspiNAND（Quad SPI NAND）Flash的高可靠性源于制程：采用46納米制程制造的單層單元（SLC）Flash，雖然相較用于消費性SSD的3D多層單元（MLC）Flash相差約三個世代，但正因46納米制程提供足夠的電荷儲存空間，數(shù)據(jù)保存期限較有保障：華邦QspiNAND Flash在額定工作溫度范圍內(nèi)，數(shù)據(jù)保存期可長達10年。
由于采用46納米制程的NAND架構(gòu)，Serial NAND每位晶粒面積與每位成本大幅度低于58納米制程的SPI NOR，這便是Serial NAND能在1Gb容量以上產(chǎn)品線較SPI NOR具備高達成本減半優(yōu)勢的主因。
此外，內(nèi)建的糾錯碼（ECC）電路可于寫入與讀取運作時，維持?jǐn)?shù)據(jù)完整性，也是一大利多。而華邦QspiNAND Flash僅需要1位ECC進行維護，卻提供4位EC存放空間，故可獲得任何SoC、應(yīng)用處理器或其他先進運算平臺的輕松支持。
第二代Serial NAND效能再進化
最新華邦接口技術(shù)的發(fā)展進程，使得最新一代Serial NAND Flash裝置在嵌入式AI為主的應(yīng)用上，效能與成本競爭優(yōu)勢上皆勝過SPI NOR產(chǎn)品。
延遲時間是AI系統(tǒng)的關(guān)鍵效能參數(shù)，采用機器學(xué)習(xí)算法的推論引擎必須于毫秒間執(zhí)行復(fù)雜運算，所以需要迅速的數(shù)據(jù)讀取效能。
華邦第一代104MHz QspiNAND Flash在連續(xù)讀取模式的最大讀取數(shù)據(jù)吞吐率達到每秒50Mb。相較之下，133MHz Quad SpiNOR Flash則提供最大每秒60Mb的讀取數(shù)據(jù)吞吐率。
華邦電子推出第二代W25Nxx JW QspiNAND系列裝置，于166MHz的單沿（STR）傳輸模式以及83Hz的雙沿（DTR）傳輸模式，可支持更高脈沖速度，而最大讀取吞吐率可達每秒83MB。
透過采用W72N系列Dual QspiNAND Flash產(chǎn)品（由采用單一封裝的兩顆晶粒所制成，提供雙排x4內(nèi)存8個I/O信道），此讀取吞吐率可翻倍至每秒166MB。
此迅速的讀取效能可望縮短AI系統(tǒng)的延遲時間。華邦QspiNAND Flash具備的高效能也可支持迅速的OTA運作，將停機時間降到最低。最新1Gb W25N01JW QspiNAND產(chǎn)品的寫入模式吞吐率為每秒8.5Mb，高于華邦SpiNOR Flash產(chǎn)品的256Mb W25H256JV的每秒0.36Mb；QspiNAND產(chǎn)品128Kb儲存區(qū)塊的抹除時間則是2ms，優(yōu)于SpiNOR產(chǎn)品64Kb儲存區(qū)塊的150ms。
Spi NOR裝置1Gb數(shù)據(jù)的總寫入時間為356秒，也就是將近6分鐘；相較之下，第二代Qspi NAND產(chǎn)品則僅需15秒。
易于整合至嵌入式系統(tǒng)
若OEM廠商必須將AI功能整合至嵌入式系統(tǒng)，儲存空間勢必得考慮1Gb以上。因此，評估Serial NAND Flash作為昂貴的SPI NOR替代方案，就成為箭在弦上的必要舉措。所幸，華邦QspiNAND系列產(chǎn)品皆以工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)尺寸與接腳排列封裝，因此在硬件設(shè)計上，可以直接替代現(xiàn)有設(shè)計中SPI NOR Flash的產(chǎn)品。
此外，將此先進可靠Serial NAND技術(shù)整合至嵌入式系統(tǒng)的另一個強大助力，則來自各大SoC供貨商；包含恩智浦半導(dǎo)體（NXP Semiconductors）、意法半導(dǎo)體（STMicroelectronics）與瑞薩電子 （Renesas）等。舉例來說，恩智浦將華邦SpiStack NOR+NAND共同封裝裝置內(nèi)建至LS1012A邊緣運算處理器內(nèi)，并使用于FRWY-LS1012A開發(fā)板上。在此設(shè)計中，華邦QspiNAND裝置可用來儲存開發(fā)板的Linux操作系統(tǒng)程序代碼；而小型華邦SpiNOR晶粒則儲存處理器的啟動碼。
第二代QspiNAND Flash現(xiàn)已推出1Gb儲存容量產(chǎn)品，可擴充至2Gb、4Gb甚至更高容量。在采用日趨復(fù)雜AI邊緣運算技術(shù)而使代碼庫不斷增長之際，使用者仍可獲得可靠的儲存解決方案。
查詢進一步信息，請訪問官方網(wǎng)站 http://www.winbond.com/。（By Syed S. Hussain, Director Segment Marketing, Winbond Electronics Corporation America）
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