在工业应用的愿景中，物联网需要安装超过10亿台设备才能连接全球网络。为此，每个节点的平均成本必须足够小，否则，光从经济架构上来说，物联网将很难实现。例如，默认情况下，大多数电子供应商将单个节点的物料清单成本限制在5美元左右。
因此，这些设备的设计者将承受巨大的成本压力。在家庭或办公室，一些物联网节点会使用Wi-Fi或蓝牙无线连接，这在消费类电子产品中得到了广泛应用。优点是这些技术可以通过便宜的现成组件来实现。
但是，包括大多数户外工作方案，有些应用无法通过Wi-Fi或蓝牙无线功能接入互联网，而是通过覆盖范围比Wi-Fi或蓝牙更广的其他射频技术来实现。
目前，新兴的低功耗无线网络(LPWAN)中有许多可用的技术。LoRaWAN、SIGFOX和NB-IoT是最有希望大规模采用的技术。目前这些技术要么没有现成好用的芯片组，要么选择性远不如Wi-Fi或蓝牙主芯片(SoC)。
因此，负责将物联网节点连接到LPWAN的系统设计人员将面临严峻的成本考验。如果射频组件的成本相对较高，则整个物料清单(BOM)中留给其他组件的预算将变得更加紧张。在剩下的这些元件中，存储芯片是最贵的。因此，如何找到一款合适且性价比高的存储芯片成为了一个重要的课题。
本文除了LPWAN射频物联网终端节点的设计者外，还提供了内存架构设计的选择，并根据系统性能要求、内存容量和系统规模介绍了各种外置闪存解决方案的优势。
传统应用需求
根据系统的功能需求和支持的应用，内部和外部配置的内存容量必须不同。LPWAN的应用范围很广，其可能的设备类型包括：内置环境传感器的智能路灯
便携式信号装置，如便携式临时交通灯或建筑工程警告装置。
农业机械，甚至农场饲养的动物。
在这些例子中，系统芯片或微控制器将执行应用代码并执行系统管理功能。相应的所需内存用途包括：用于存储程序代码、配置数据和用户数据。
图：带Winbond 1.8V串行内存组件的LPWAN SoC
专注于高性能且不受物料清单预算限制的典型系统需要33，360个相关内存。
带片上系统的高速动态随机存取存储器
嵌入式SoC系统单片机中的闪存
的外部非易失性存储器集成电路。根据配置数据和用户数据的存储容量要求，选择NOR闪存或NAND闪存。
考虑到成本优化，物联网(IoT)系统的设计者在寻求不同架构选择的同时，对最新一代的外部存储器组件表现出了极大的兴趣。图1说明了这种架构：一个具有Winbond 1.8V串行存储器组件的LPWAN SoC。
更高速度的串行式闪存
得益于串行闪存的通用性，注重成本的IoT节点设计者可以利用其极高的数据传输速率，实现不同于传统模式的架构。高速串行闪存使物联网节点具有高速访问能力。几乎在所有情况下，都可以省略DRAM存储器，并且可以使用仅嵌入小容量闪存的低成本主控制芯片(SoC)。这种基于闪存的体系结构可以减少组件的数量、大小和物料清单成本，同时仍然保持系统应用程序所需的性能。串行闪存可以提供很高的数据传输速率来代替DRAM，表面上看是相当hsjdyl的。毕竟，串行闪存的主要优势在于，它可以通过低引脚数提供可靠的非易失性存储容量，但理论上低引脚数也意味着低带宽。相比之下，并行闪存有大量的通道用于并行存储，提供超高的带宽和数据传输速率。然而，要实现这一点，并行闪存需要许多引脚，因此使用并行闪存的系统会导致电路板庞大而复杂。
经过一段时间的发展和演变，串行闪存制造商已经能够在保持小封装、低引脚数的同时提高数据传输速率。目前，采用QSPI或QPI技术的串行闪存在133 MHz的工作频率下实现了每秒66 MB的数据传输速率。这足以实现“执行到位”(XiP)的功能，即可以直接从外部闪存中执行处理器的应用源代码，而无需将程序代码复制到DRAM中，从而可以完全省略DRAM的使用。具有QSPI或QPI功能的快速串行闪存也可以使用伪缓存来提高频繁执行功能的性能。
根据使用情况，串行闪存可以分为不同的块。系统固件可以存储在程序代码区，用户数据和配置设置可以存储在数据区。
这是因为数据区中的信息将被连续擦除，新数据将被写入。该部分必须能够支持多个写/擦除周期。在两种类型的串行闪存——NOR闪存和NAND闪存中，NOR闪存本质上使用了一种相对强大和可靠的结构，可以在没有纠错码(ECC)的情况下可靠地运行。Winbond全串行NOR闪存可以实现至少100，000个写/擦除周期。
图2 :串行或非闪存和与非门闪存可以
被合封在同一封装内对于内存容量小于512 Mbps 的应用，通常最符合成本效益的选项是串行式NOR闪存。对于内存容量等于或大于512 Mbps的应用，通常会选用较便宜的串行式 NAND 闪存。所有的 NAND 快闪记忆皆需要一个控制器来管理其运作，包括侦测和修正错误、坏块管理、和重新寻址。
Winbond提供512 Mb、1 Gb和2 Gb容量的串行式 NAND 闪存，因内建内部的错误修正和坏块管理功能，可降低外部控制器的工作数。Winbon串行式NAND闪存每 528 Byte的内存提供了1 位的错误修正码。Winbond串行式NAND闪存额定最少可达到10 万次编程 / 擦除循环。
Winbond串行式NAND闪存内建坏块管理，会自动根据内建的查找表将错误的区块重新映射到好的区块。此查找表 ( LUT ) 最多可支持到20个链结，并且重新映像的功能能支持跨页和完整的内存地址的读取操作。相比之下，其他供货商的产品受限于有限的页面存取，只能提供缓慢的传输效能。
第三种提供给IoT gateway设计者的选择是一种串行式堆栈封装内存( SpiStack )。即单一封装内含两个或两个以上的串行式NOR闪存晶粒、两个或两个以上的串行式NAND闪存晶粒、或亦是一颗串行式NOR闪存晶粒与一颗串行式NAND闪存晶粒。其中一种典型的组合是将用来存放程序代码的NOR 闪存晶粒与用来存放数据的串行式NAND闪存晶粒合封于WSON8 – 8 mm x 6 mm的封装内。此解决方案的优点是灵活的内存容量组合，并同时维持低引脚数。其中所需操作的内存晶粒将藉由软件指令(“C2h”)来做选择，并不需要多一根引脚来做为切换讯号。
串行式NOR闪存、串行式NAND闪存、串行式堆栈封装内存( SpiStack )所支持的内存容量可完整支持LPWAN或是LoRaWAN连接的IoT节点需求。举例来说， 需求较低的端点通常用3V或1.8V 16 Mb以下的串行式NOR闪存；笔记本电脑连接的IoT节点通常使用1.8V，需较高密度的串行式NOR闪存，容量范围在32Mb到128Mb；而有些应用可能需要使用1 Gb或更大的数据容量，就需要串行式NAND闪存或串行式堆栈封装内存( SpiStack )。
用于LPWAN的IoT节点通常为电池供电的移动装置，因此功耗是系统设计上首要关注的项目。各家标准的串行式闪存通常可支持3 V与1.8V，其中 1.8 版本在工作模式与待机模式中皆提供较低的功耗。
图三 : Winbond串行式NOR闪存读取电流比较表(制表 : Winbond。含1.2V超低功耗新产品)
一般1.5 V的设备具有较宽广的工作电压设计，从1.14V至1.6V，好处是使用电池供电的环境下可以更持久的操作。Winbond在2017年6月新推出了一款超低功耗 (请参阅图 3) 的串行式NOR闪存，此新型1.2V超低功耗产品的工作电压涵盖范围从1.14 V至1.3V，可延长从电池满电到电压慢慢下降期间的稳定使用。此新型1.2V串行式NOR闪存容量从1 Mb到128Mb，在104 MHz的工作模式下工作电流仅4.9mA，而在低电源模式下电流仅0.5µA。
以高速串行式闪存实现成本与空间的节约
总结来说，设计者可藉由高速QSPI或QPI串行式闪存实现XiP操作来省去使用DRAM组件，从而节省空间并降低组件的数量和成本。若要更进一步的节省空间，可使用串行式堆栈封装内存( SpiStack )。此外在电池供电的应用上可使用1.2V超低功耗串行式NOR闪存。
此最新一代的串行式闪存产品可帮助IoT 节点设计者在降低成本的条件下同时满足其性能要求，帮助设计者实现总系统成本低于5美元的目标。
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