为什么嵌入式开发人员正在考虑串行NAND Flash，以实现实施人工智能的系统中的代码存储

文章作者:赛义德·侯赛因，美国温邦电子公司细分市场总监

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人工智能(AI)所创造的创新潜力让各个市场领域的嵌入式开发者感到兴奋。事实上，从“创新”的角度来思考似乎有些奇怪，因为人工智能的基本技术本身并不是新的:IBM的深蓝人工智能系统早在1997年就击败了国际象棋世界冠军加里·卡斯帕罗夫(Garry Kasparov)。

但在这一早期突破之后的20年里，引进人工智能技术的进展缓慢。直到2010年代末，各方才达成一致，将人工智能引入嵌入式开发的主流，这条道路受到两个因素的平滑:首先，大量训练数据集的可用性，这些数据集由传感器丰富的物联网系统生成。由于YouTube、Instagram、Snapchat和Facebook Live等平台的流行，人们也首次可以获得大量带标签的图片、视频和其他形式的数据。

其次，嵌入式系统的“工作马”——如应用处理器、soc或fpga等设备——的能力已经达到了临界点，它们能够充当“推理引擎”。这意味着它们可以运行机器学习算法，使电子系统能够解码像素文件，并识别猫或狗等物体。

人工智能技术现在将迅速应用于嵌入式系统:分析公司IDC预计，到2023年，用于边缘计算系统的人工智能优化处理器市场将以每年65%的复合速度增长。但采用人工智能的这一举动引发了人们对嵌入式开发人员当前为代码存储提供内存的可持续性的质疑。

今天，SPI或Flash是嵌入式系统中存储引导和应用程序代码的首选内存类型。但SPI NOR在提供更高内存容量以适应新AI应用程序生成的更大代码基础的压力下正在吱吱叫。今天的软件丰富的嵌入式系统也往往需要在该领域进行定期更新，实现安全补丁和增加特性，一个使SPI或Flash的程序/删除性能受到关注的功能。

本文建议嵌入式开发人员应该对串行NAND闪存取代SPI NOR闪存以存储关键任务引导和应用程序代码的潜在好处开放思想，并重新考虑他们对NAND的可靠性、寿命和性能的假设。

也不是Flash的缩放问题

SPI和Flash凭借提供可靠的代码存储凭借其声誉。NOR Flash技术本质上是强大的，保留端到端的信号完整性，并在最小时间为100,000小时内支持数据保留。

根据市场分析公司Web Feet Research 2018年的数据，按体积和价值计算，Winbond是全球最大的SPI NOR闪存制造商，提供容量从3.0V电源的512Kbits到1.8V电源的1Mbit的离散SPI NOR闪存设备。在容量高达2Gbits, SPI或闪存提供了一个具有竞争力的每位成本。但是，摩尔定律所暗示的NOR晶片的尺度(制造过程收缩)在NOR闪存技术中已经显著放缓:Winbond的先进NOR闪存晶片目前是在58nm工艺下生产的。据发展路线图预测，在未来几年内，纳米电池还会缩小到45纳米左右。

这为开始实现AI技术的许多嵌入式开发人员创造了一个问题：机器学习等应用程序生成复杂的软件代码。越来越多地，开发人员需要1Gbit或更多的代码存储 - 与串行NAND闪光相比，每尺寸SPI和闪光变为没有吸引力的大小。这是因为串行NAND闪存，与SPI不同，也不是在46nm，32nm，2xnm和1xnm的过程节点上广泛地遵循Moore的定律。最近，3D NAND结构的开发使商品NAND闪光的制造商能够继续提高1xNM节点的内存密度。

因为，在硅的世界里，模具面积和设备成本之间有非常密切的关系，可以制造串行NAND的更小的过程节点使它比SPI或1Gbit以上的高密度更便宜。

今天的智能连接设备也需要现场，通常是无线(OTA)更新，以实现安全补丁和功能升级。在这一点上，SPI NOR也处于劣势。在OTA更新操作的一个典型例子中，新代码会覆盖Flash数组中的现有代码，这意味着在更新发生时系统可能需要关闭。为了减少停机时间，开发人员希望尽快安装更新。

因此，在这个场景中，更新性能的关键参数是程序时间和擦除时间——在这些函数中，串行NAND的性能也优于SPI NOR。

NAND Flash的声誉问题

尽管串行NAND闪存在软件丰富的嵌入式AI应用程序中具有成本和性能优势，但选择串行NAND存储引导和应用程序代码的决定需要嵌入式社区改变思维方式。这是因为假设所有串行NAND闪存，基于使用的只有超高密度的NAND。

在笔记本电脑或平板电脑的固态盘（SSD）中，制造商准备牺牲数据完整性和数据保留，以使用最新的3D多层单元技术来获得高容量和非常低的每位成本。在真实世界中，来自用户音乐或视频文件的几个比特的腐败或损失是可接受的折衷，以便在最新的1xNM过程节点上制造的超低成本存储器。

但是已针对代码存储优化的串行NAND闪存从该前沿/超低成本NAND执行非常不同。

串行NAND的性能和可靠性

为了提供来自SPI的迁移路径，也不是AI应用中的代码存储的串行NAND闪存，WinBond已改进其串行NAND制造过程和串行接口提供：

• 快读性能
• 快速程序/擦除性能
• 与SPI NOR的对等兼容性
• 高信号完整性和长数据保留

Winbond QspiNAND (Quad SPI NAND)闪存的高可靠性源于其制造工艺:它是采用46nm工艺生产的单级电池(SLC)闪存，比消费级ssd中使用的1xnm 3D多层电池(MLC)闪存早了大约三代。这种老工艺的可靠性和质量在多年的现场操作中得到了证明。更大的电路特性，46nm工艺也提供了充足的空间，允许电子泄漏而不影响数据保留:Winbond QspiNAND Flash的数据保留在额定工作温度范围内10万小时。

But at 46nm, serial NAND die area-per-bit and therefore cost-per-bit is still substantially smaller than that of SPI NOR fabricated at 58nm: this is why serial NAND’s cost-per-bit can be as little as half that of SPI NOR at densities of 1Gbit and above.

此外，内置的纠错码(ECC)在写和读操作期间保持数据的完整性。Winbond QspiNAND Flash中实现的1位ECC方案很容易被任何SoC、应用处理器或其他边缘计算平台支持。

第二代串行NAND的性能增强

现在，在最新一代的串行NAND闪存设备中，新的Winbond接口技术(QSPI-NAND)的发展使其在性能和成本上优于SPI或基于嵌入式人工智能的应用程序。

图1:在过去，SPI NOR提供了比串行NAND更快的读取速度。(图片来源:华邦电子)延迟是人工智能系统的一个关键性能参数。一个在本地实现机器学习算法的推理引擎必须执行非常复杂的计算操作，通常只需几毫秒的时间。这要求更快的数据读取性能。

从Winbond的第一代104MHz QspinAnd闪存在连续读取模式下实现了50MB / s的最大读取吞吐率。为比较，133MHz Quad Spinor闪光灯提供80MB / s的最大读取吞吐量（参见图1）。

目前，Winbond已经推出了第二代W25Nxx JW QspiNAND系列设备，支持更高的时钟速度在STR (single transfer rate)模式下166MHz (double transfer rate模式下83MHz)，最大读吞吐量为83MB/s。通过使用W72N系列双QspiNAND Flash产品，读取吞吐量可以翻倍至166MB/s，该产品由单个包中的两个模具组成，在双x4配置中提供8个I/ o。

创新的控制软件使主控制器能够通过单芯片选择命令操作W72N(见图2)。

图2:Winbond的双QspiNAND提供了166MB/s的最大读取速度。(图片来源:华邦电子)这种快速读取性能导致AI系统中的低延迟。Winbond QSpinand Flash的高性能也支持快速的OTA更新操作，以最大限度地减少停机时间。程序模式吞吐量新的1Gbit W25N01JW QSpinAnd产品为8.5MB / s，相比256Mbit W256Mbit W256256JV，一个Winbond Spinor闪存产品。对于QSPINAND产品，擦除128kbit块的时间是2ms，而旋转产品中的64kbit块为150ms。
1Gbit数据的总编程时间为SpiNOR设备近6分钟(356秒)，而第二代QspiNAND产品仅为15秒。

易于集成在嵌入式系统中

然后将AI功能集成到嵌入式系统中，使OEM提供了一种强大的理由，以评估串行NAND闪光作为更换更昂贵的SPI，也不是1Gbit和更高的密度。The implementation of serial NAND in Winbond’s second-generation QspiNAND products eases this transition, not only in the provision of simple 1-bit ECC, but also in the operation of the QspiNAND interface itself: it is software-compatible with the familiar SPI NOR interface, and only requires the implementation of five new commands to control ECC and Look-Up Table (LUT) functions which are specific to NAND Flash technology.

此外，QSPINAND等设备如1Gbit W25N01JW供应，以行业标准的脚印和销钉供应，因此它们可用作现有设计中的SPI和闪光部件的替代品。万博投注网址

通过支持它的SoC提供商的生态系统，进一步促进了这种先进的，可靠的串行NAND技术的整合，包括NXP半导体，STMicroelectronics和Renesas。例如，恩智浦已为LS1012A Edge计算处理器建立了一个Winbond Spistack Nor + Nand共封装设备，用于其FRWY-LS1012A开发板。在此实现中，一个Winbond Qspinand设备存储了板的Linux®操作系统代码，而小的Winbond Spinor Die存储芯片的引导码。

目前，第二代QspiNAND闪存技术的密度为1Gbit，可扩展到2gbit、4gbit甚至更高。因此，它提供了嵌入式开发人员需要的路线图，以确保不断增长的代码库的可靠存储，通过这些代码库，他们将实现更加复杂的AI技术。