擴展 M2M 功能和解決方案支持新產品和服務，這些產品和服務正在改變我們的工作和娛樂方式。M2M 解決方案有多種外形尺寸和無線電接口，但最常以模塊形式出售——分立式或安裝在 PCB 上。嵌入式存儲器通常支持短距離無線電解決方案（Wi-Fi、ZigBee、Z-wave、藍牙、IP500）。通常，內存子系統（就嵌入式閃存和 RAM 而言）包含在處理器中。如果內存無法放置在處理器上，則可以添加低密度的外部 NOR 閃存或 RAM。

雖然許多短距離 M2M 無線解決方案足以滿足以消費者為中心的應用（如電器連接和家庭自動化），但基礎設施和關鍵任務應用（健康、安全、汽車、零售和智慧城市應用）需要穩健且始終在線蜂窩網絡連接。在蜂窩 M2M 等遠程無線電解決方案中，在處理器芯片上嵌入高密度存儲設備并不劃算，因此必須在外部閃存和 RAM 中管理關鍵通信代碼。圖 1顯示了一個典型的蜂窩 M2M 模塊，包括一個軟件堆棧。

圖 1：蜂窩 M2M 模塊的框圖。

M2M 蜂窩模塊提供 2G 和 3G/4G 版本。在 GSM 網絡上，GPRS 和 EDGE 被認為是 2G，而在 CDMA 網絡上，1xRTT（或 CDMA2000）被認為是 2G。3G 網絡基于全球高速下行分組接入 （HSDPA） 標準，與常見的微處理器單元 （MPU） 架構兼容，可實現豐富的實時多媒體和瀏覽體驗。汽車信息娛樂、交通和視頻監控服務正在推動僅在 3G 和 4G 網絡上可用的更高帶寬要求。

隨著數據服務的收入和容量超過傳統語音服務，正在部署數十億美元、創收 M2M 服務的移動網絡運營商 （MNO） 有充分的動力利用 3G 和 4G 網絡，以便最有效地利用網絡資源和有限頻譜。 AT&T 已經宣布計劃到 2017 年在美國使 2G 網絡下線，領先的 M2M 模塊供應商正在將 2G 認證模塊排除在新設計中［1］。2G M2M 解決方案還依賴于開始過時的傳統組件支持和制造資產。這些因素有助于將 3G M2M 模塊置于市場增長的最佳位置——預計未來四年將有 50 億美元的 3G 和 4G M2M 連接上線［2］。

蜂窩 M2M 內存要求：小尺寸

2G M2M 模塊具有高達 130 Kbps 的調制解調器速度，并使用 NOR 閃存，其關鍵通信代碼存儲要求介于 32 Mb 和 64 Mb 之間。由于采用就地執行 （XIP） 內存架構，NOR 閃存讀取性能（高達 250 MBps）足以在 2G 解決方案中直接從閃存執行通信協議，而外部 RAM 僅需 16 Mb 或工作內存或擴展緩存中的 32 Mb PSRAM。今天，2G M2M 存儲器解決方案的最佳選擇是采用 6 mm x 4 mm BGA 封裝的工業級 NOR + PSRAM 多芯片封裝 （MCP）。MCP 解決方案在 M2M 模塊中是首選，因為它們可以節省大量空間（超過50%） 與單獨的閃存和 RAM 組件替代方案相比。當 M2M 模塊嵌入各種傳感器和基礎設施應用時，尺寸是一個重要因素。

汽車級和工業級內存

支持工業級溫度（-4 0 °C至 +8 5 °C）的 M2M 模塊專為將駐留在戶外或惡劣環境中的系統而設計，同時還有助于加快上市時間、簡單性和可擴展性。美國東北部的居民最近提醒了負-4 0°C（-4 0°F）的感覺——那些被困在外面的移動和汽車電子設備無法正常工作的人被提醒了工業和汽車的重要性級內存支持已成為 M2M 設計。

性能、密度和成本

3G 和 4G 內存解決方案對 Mbps 調制解調器速度有更高的性能和密度要求。3G 具有多種通信協議，軟件定義無線電配置中的組合代碼密度是 2G 的兩倍多。3G 還需要至少一份通信協議的備份副本，這將最低內存要求推到了 256 Mb 到 512 Mb 的范圍內。添加中間件（如可加速應用程序集成的 Java 虛擬機和為新應用程序分配的內存）后，3G 和 4G M2M 模塊的要求擴展到高達 4 Gb 的閃存和 2 Gb 的 LPDRAM，通常具有長壽命、工業-等級要求。在 1 Gb 或更高時，單級單元 （SLC） NAND 閃存成為 NOR 閃存的有吸引力的低成本替代品（圖 2，第 12 頁）。

圖 2： SLC NAND 閃存成為 3G M2M 解決方案中小于 1 Gb 的良好替代品。

由于 NAND 閃存由于讀取性能較慢而無法直接執行代碼，因此將代碼復制到 RAM 中執行。這通常稱為存儲和下載 （SnD） 或計算內存架構。在 SnD 架構中，外部 RAM 需求顯著增加至 512 Mb 或更多，以隱藏和執行代碼；根據密度和配置，LPDDR1 或 LPDDR2 存儲設備的物料清單 （BOM） 中還會增加 2 到 5 美元。3G 和 4G 蜂窩架構完全基于 SnD，與傳統 PC 級 DRAM 相比，LPDRAM 接口驅動內存性能要求和顯著降低的功耗。

即使添加了外部 LPDRAM，1 Gb SLC NAND + 512 Mb LPDRAM 內存解決方案的價格也將與 256 Mb NOR 閃存 + 512 Mb LPDRAM 內存解決方案持平。這兩種配置都被認為是 3G 和 4G M2M 模塊設計中的低成本替代方案。鑒于從 2G M2M 內存解決方案遷移所需的 4 倍容量增加，3G 和 4G LPDRAM MCP 需要稍大的封裝（8 mm x 8 mm BGA 到 8 mm x 9 mm BGA）。

產品壽命

在選擇 NAND 閃存解決方案時，M2M 設計人員還必須考慮到 M2M 應用的平均壽命為 10 年以上。NOR 閃存在汽車和工業應用中具有悠久的嵌入式支持歷史——通常擁有超過 10 年的產品支持和多家供應商；NOR 也不需要外部存儲器管理。與 NOR 不同，NAND 在嵌入式支持方面沒有傳統，更重要的是，NAND 特性會隨著硅光刻的每次縮小而變化。NAND還需要處理器進行外部管理，包括ECC、壞塊和磨損均衡管理。

NAND閃存縮放的缺點

無數嵌入式應用需要大約 100，000 次編程和擦除 （P/E） 周期和/或 10 年的閃存支持數據保留。SLC NAND 在嘗試擴展到低于 30 納米范圍 （3X nm） 技術時遇到了懸崖——其中 ECC 要求顯著增加，P/E 周期和數據保留在一定程度上限制了廣泛的嵌入式應用，如圖 3所示。但是，蜂窩芯片組和無線 OEM 可以從更高密度的 NAND 閃存的成本優勢中受益，它可以為手機和調制解調器提供足夠的 ECC。

圖 3： NAND 閃存擴展的缺點

當目標是 2X nm 或更低的 NAND 閃存時，該技術會針對特定應用的用例進行調整。例如，在無線調制解調器中，代碼主要在啟動時讀取，在 3 到 7 年的生命周期內很少進行無線更新或重新啟動。在這種情況下，假設 P/E 周期要求在產品生命周期內較低（《10，000），并且假設光刻較低的 2X nm NAND 閃存非常適合低成本解決方案。對于 M2M 設備，安全性、數據管理和應用程序將顯著增加 P/E 周期，并且在超出基本調制解調器功能時需要在設計時進行特定用例評估。

M2M 未來的內存

物聯網 （IoT） 及其 M2M 產品將一些最令人興奮的電子技術進步帶到了我們生活的最前沿。大多數新產品和豐富的 M2M 服務正在針對 3G 技術進行擴展。設計人員在選擇正確的 M2M 內存解決方案時有多種選擇——從工業級 NOR 閃存到 NAND 閃存 MCP 解決方案。密度、性能、尺寸、市盈率周期和數據保留要求都是需要考慮的重要因素。

審核編輯：郭婷