智能物联网的存储器设计与实现

近年来，物联网（IoT）技术得到了广泛的关注，物联网不仅仅涉及计算机，还包括智能手机、家用电器、个人穿戴产品等设备，现今已呈现出万物联网的趋势。在物联网系统的构建过程中，对于低成本的、低功耗的嵌入式存储器的需求变得越来越大。针对多种不同的应用场景，例如智能家居、自动驾驶、穿戴设备等，本书将基础科学与物联网存储技术相结合，给出了最优选并且实用的物联网存储器解决方案。本书还描述了可用于物联网设备的超低功耗存储器，讲述了用于医疗电子等特殊应用的塑料电路和聚合物电路。探讨了可用于智能控制的具有嵌入式存储器的微控制器。物联网中会产生大量数据，本书针对人工智能与深度学习应用，对采用FeRAM、RRAM和MRAM技术的神经形态存储器进行了分析，给出了对物联网硬件产生的大量数据进行收集、处理及深度学习等的方案。针对至关重要的物联网安全性问题，给出了片上安全系统的设计方案。为了节省开发成本，本书讲述的重点内容是与CMOS兼容的存储器技术，包括嵌入式浮栅和电荷捕获EEPROM /闪存以及FeRAM、FeFET、MRAM和RRAM。本书适合从事电子系统和半导体行业的电气工程师和工程经理阅读。同时，对于对集成电路器件和系统的近期新发展感兴趣的研究生和高年级本科生，它也是不可或缺的参考书。

贝蒂？普林斯（Betty Prince），博士，在半导体行业有超过30年的经验，曾与德州仪器、飞利浦、摩托罗拉、R.C.A和Fairchild公司合作。她目前是美国得克萨斯州莱安德国际存储器战略公司的首席执行官。她拥有存储器、处理器和接口设计方面的多项专利。

译者序前言第1章  智慧城市—智能物联网的原型 11.1  概述 11.2  智慧城市 11.3  智能商务—智慧城市的要素 21.3.1  智能库存控制 21.3.2  智能配送 31.3.3  利用人工智能进行智能营销 31.4  智能住宅 31.5  人—智能互联家居的中心 41.5.1  可穿戴电子产品 41.5.2  控制电子设备 51.6  智能个人交通 51.6.1  智能汽车概述 51.6.2  驾驶辅助系统 51.6.3  发动机处理器 61.6.4  车身处理器 71.6.5  信息娱乐处理器 71.6.6  自动驾驶汽车 71.7  智能交通网络 71.7.1  智能公共运输网络 71.7.2  个人汽车交通管理 81.7.3  智能高速公路 81.8  智能能源网络 91.8.1  智能电表 91.8.2  智能电网 91.9  智能互联楼宇 101.9.1  智能办公楼 101.9.2  智能工厂 111.9.3  智能医院 111.9.4  智能公共建筑 121.10  想法 12参考文献 12第2章  智能物联网存储器应用 142.1  简介 142.2  各种非易失性嵌入式存储器特性的比较 152.2.1  嵌入式EEPROM、闪存和熔丝器件 152.2.2  嵌入式新兴存储器在MCU中的应用 162.2.3  嵌入式非易失性存储器在各种应用中的必要属性 172.3  支持能量采集、具有嵌入式存储器的超低功耗MCU电路 192.3.1  采用能量采集的超低功耗MCU简介 192.3.2  支持能量采集、具有嵌入式闪存的超低功耗MCU 202.3.3  支持能量采集、具有嵌入式FeRAM存储器的超低功耗MCU 202.3.4  支持能量采集、具有嵌入式RRAM存储器的超低功耗MCU 212.3.5  支持能量采集电源管理的超低功耗MCU 222.4  超低功耗电池供电的闪存MCU 222.4.1  超低功耗电池供电的闪存MCU简介 222.4.2  具有嵌入式闪存的超低功耗电池供电的闪存MCU 232.4.3  具有嵌入式RRAM的超低功耗电池供电MCU 232.4.4  具有嵌入式FeRAM的超低功耗电池供电MCU 242.5  使用新兴存储器实现非易失性逻辑的非易失性MCU 262.5.1  使用FeRAM的非易失性逻辑阵列 262.5.2  使用MTJ MRAM的非易失性逻辑阵列 282.5.3  用于非易失性逻辑阵列的RRAM处理器 302.6  存储器传感器标签的通信协议 342.6.1  射频识别标签 342.6.2  近场通信 342.6.3  基于蓝牙的信标和传感器节点 362.6.4  具有Wi-Fi的物联网设备 382.6.5  具有USB连接功能的物联网设备 392.6.6  单线连接 402.6.7  ZigBee接口 402.6.8  ANT接口 402.7  可穿戴医疗设备 402.7.1  可穿戴医疗设备概述 402.7.2  使用FeRAM存储器的微型助听器 412.7.3  使用CB-RAM存储器的人体传感器节点平台 412.7.4  以存储为主使用MRAM的医疗保健系统 422.7.5  具有NFC和嵌入式eFeRAM存储器的可穿戴生物监测 422.7.6  使用FeRAM并配备ECG处理器的可穿戴医疗保健系统 432.8  低功耗电池供电的医疗设备和系统 452.8.1  低功耗电池供电医疗设备概述 452.8.2  使用eFlash的低功耗电池供电医疗设备 452.8.3  使用嵌入式新兴存储器的低功耗电池供电医疗设备 482.8.4  医疗系统的安全性 492.9  汽车网络应用 502.9.1  汽车应用概述 502.9.2  早期的高级汽车驾驶员辅助系统 522.9.3  最近的高级驾驶员辅助系统 542.9.4  汽车导航和定位 542.9.5  发动机盖下的应用 552.9.6  用于发动机盖下应用的MONOS存储器 562.9.7  汽车信息娱乐系统 572.9.8  安全汽车 572.9.9  汽车车身处理器 582.10  智能电网和数码智能电表 582.10.1  智能电表市场概述 582.10.2  具有嵌入式闪存的智能电表芯片 582.10.3  具有大容量嵌入式闪存的智能电表芯片 582.11  消费者家庭系统和网络 612.11.1  远程控制 612.11.2  环境传感器 622.11.3  家庭网络系统 622.12  具有嵌入式存储器的电机控制芯片 622.12.1  使用嵌入式存储器的小型系统电机控制 622.12.2  使用嵌入式MONOS存储器的多电机控制 632.12.3  使用嵌入式NV FeRAM的电机控制 632.13  高级应用中的智能芯片卡 632.14  用于物联网的大数据服务器中 存储器的层次结构分析 64参考文献 66第3章  用于智能物联网的嵌入式闪存和EEPROM 733.1  智能物联网eFlash和eEEPROM简介 733.1.1  智能物联网eFlash和eEEPROM 733.1.2  物联网中嵌入式闪存的应用需求 743.2  用于物联网的单层多晶硅浮栅eFlash/EEPROM单元 753.2.1  物联网应用中的单层多晶硅浮栅eFlash/EEPROM概述 753.2.2  早期的单层多晶硅浮栅EEPROM 753.2.3  用于特殊应用的单层多晶硅EEPROM单元 793.2.4  多次可编程单层多晶硅嵌入式非易失性存储器 813.2.5  最近的单层多晶硅全CMOS嵌入式EEPROM器件 853.2.6  高压CMOS中的单层多晶硅eNVM 873.3  使用多个单层多晶硅CMOS逻辑晶体管的嵌入式闪存单元 883.4  浮栅嵌入式闪存的分栅技术 923.4.1  早期的分栅嵌入式闪存浮栅技术 923.4.2  分栅存储器的发布、外设和特定应用的浮栅分栅存储器 963.4.3  小于50nm的优选分栅浮栅技术 1023.5  堆叠闪存和处理器TSV集成 1043.6  OTP/MTP嵌入式Flash单元和熔丝 1043.7  具有堆叠栅极结构的双层多晶硅闪存 1063.8  电荷捕获嵌入式闪存 1093.8.1  早期的嵌入式电荷捕获存储器概述 1093.8.2  嵌入式40nm电荷捕获（MONOS）闪存MCU 1113.8.3  嵌入式28nm电荷捕获（MONOS）闪存MCU 1133.8.4  嵌入式应用的专用1T-MONOS 闪存宏 1153.8.5  FinFET SG-MONOS 1163.8.6  嵌入式电荷捕获（SONOS）NOR闪存 1173.8.7  高压CMOS中的嵌入式2TSONOS NVM 1193.8.8  自对准氮化逻辑NVM 1203.8.9  p沟道SONOS嵌入式闪存 1213.8.10  低能耗应用中的电荷捕获嵌入式闪存 1223.8.11  DT BE-SONOS性能的阻挡氧化物和隧道氧化物 1223.8.12  新型嵌入式电荷捕获存储器 1233.9  分栅CT eFlash纳米晶体存储 1273.10  新型嵌入式闪存 129参考文献 130第4章  薄膜聚合物和柔性存储器 1364.1  概述 1364.2  有机铁电存储器 1364.2.1  有机铁电存储器的特性和特点 1364.2.2  可印刷铁电嵌入式存储器 1404.2.3  薄膜铁电存储器的物联网应用 1444.3  聚合物铁电隧道结 1454.4  具有柔性基板的聚合物电阻式RAM的类型和特性 1464.4.1  具有柔性基板的聚合物电阻式RAM概述 1464.4.2  基于聚对二甲苯-C的电阻式RAM 1464.4.3  Cu原子开关 1474.4.4  柔性基板上的无机薄膜电阻式RAM 1504.4.5  IZO和IGZO电阻式RAM存储器 1524.4.6  具有柔性基板的其他聚合物电阻式RAM 1534.5  柔性基片上的电荷捕获纳米粒子（NP）存储器 1594.5.1  柔性基片上的电荷捕获NP存储器概述 1594.5.2  具有柔性衬底的碳纳米管电荷捕获存储器 1594.5.3  喷墨印刷纳米粒子存储器 1604.5.4  柔性基板上的其他纳米粒子电荷捕获存储器 1614.6  将常规存储器芯片转移到柔性基板上 1634.6.1  使用SOI基片转移硅片 1644.6.2  使用底层空腔创建薄芯片 1654.6.3  用于在柔性基板上组装硅芯片的扇出型晶圆级封装 166参考文献 170第5章  使用新兴NV存储器件的神经形态计算 1755.1  神经形态系统中电阻式RAM和铁电RAM的概述 1755.2  各种电阻式RAM用作神经形态系统中的突触 1755.2.1  金属氧化物电阻式RAM作为突触 1755.2.2  导电桥RRAM作为突触 1785.2.3  相变存储器作为突触 1795.2.4  PCMO RRAM作为突触 1795.2.5  可同时增强和抑制的RRAM 1805.2.6  其他具有模拟特性的非易失性存储器 1815.3  3D神经形态存储器 1825.3.1  作为密集TSV 3D结构的神经形态架构 1825.3.2  3D垂直RRAM作为连接神经元的突触 1825.4  RRAM作为突触器件的建模和表征 1865.5  脉冲神经网络、STDP、增强和抑制 1875.5.1  脉冲神经网络简介 1875.5.2  混合RRAM/CMOS STDP神经形态系统 1875.5.3  记忆突触和神经元系统 1915.5.4  新型RRAM突触的应用 1935.6  使用铁电RAM技术的神经网络系统 1955.6.1  使用铁电存储器突触的神经网络电路 1955.6.2  在神经网络电路中使用FeMEM 1965.6.3  神经形态电路中的铁电隧道结 1975.7  使用相变存储器的早期神经形态计算机 1985.8  神经形态系统设计和应用中的电阻式RAM 2015.8.1  用于神经形态计算的突触器件的设计 2015.8.2  在各种神经形态计算应用中使用RRAM 2025.8.3  用于神经形态计算的大型RRAM阵列设计 2025.8.4  RRAM相对于SRAM交叉阵列在矩阵乘法中的优势 2045.9  使用聚合物和柔性存储器的神经形态存储器 204参考文献 207第6章  大数据搜索引擎和深度计算机 2106.1  大数据搜索引擎和深度计算机概述 2106.2  使用各种新兴非易失性存储器制作的内容可寻址存储器 2106.2.1  使用电阻式RAM的三元CAM 2116.2.2  使用磁存储器制作的CAM 2126.2.3  使用其他新兴存储器的CAM 2146.3  大型搜索引擎和人工神经网络的构成 2146.3.1  使用RRAM的大型搜索引擎的查找表 2146.3.2  使用STT MRAM的大型人工神经网络 2166.4  深度学习系统中的存储器问题 2186.4.1  SRAM和RRAM突触阵列的分区问题 2186.4.2  极限学习机架构的RRAM可变性问题 2206.4.3  受限玻耳兹曼机中RRAM存储器的问题 2206.4.4  使用存储器突触的大型神经网络 2226.5  物联网的深度神经网络 2256.5.1  物联网深层神经网络的类型 2256.5.2  含噪声数据的深度神经网络 2266.5.3  用于语音和视觉识别的深度神经网络 2276.5.4  其他应用的深度神经网络 231参考文献 232第7章  物联网安全问题中的存储器 2347.1  物联网安全问题中的存储器简介 2347.2  用作物理不可克隆功能的存储器 2347.2.1  RRAM用于物理不可克隆功能 2357.2.2  用作物理不可克隆功能的MRAM 2417.2.3  用作物理不可克隆功能的闪存 2447.2.4  用作物理不可克隆功能的其他存储器 2447.3  基于片上存储器的安全系统 2457.3.1  片上安全系统简介 2457.3.2  物理安全密钥和TAG的存储 2457.3.3  安全系统中的人脸和特征检测 2477.3.4  嵌入式系统的安全性 248参考文献 248