譯者序

前言

第1章智慧城市—智能物聯網的原型  1

1.1概述  1

1.2智慧城市  1

1.3智能商務—智慧城市的要素  2

1.3.1智能庫存控制  2

1.3.2智能配送  3

1.3.3利用人工智能進行智能營銷  3

1.4智能住宅  3

1.5人—智能互聯家居的中心  4

1.5.1可穿戴電子產品  4

1.5.2控制電子設備  5

1.6智能個人交通  5

1.6.1智能汽車概述  5

1.6.2駕駛輔助繫統  5

1.6.3發動機處理器  6

1.6.4車身處理器  7

1.6.5信息娛樂處理器  7

1.6.6自動駕駛汽車  7

1.7智能交通網絡  7

1.7.1智能公共運輸網絡  7

1.7.2個人汽車交通管理  8

1.7.3智能高速公路  8

1.8智能能源網絡  9

1.8.1智能電表  9

1.8.2智能電網  9

1.9智能互聯樓宇  10

1.9.1智能辦公樓  10

1.9.2智能工廠  11

1.9.3智能醫院  11

1.9.4智能公共建築  12

1.10想法  12

參考文獻  12

第2章智能物聯網存儲器應用  14

2.1簡介  14

2.2各種非易失性嵌入式存儲器特性的比較  15

2.2.1嵌入式EEPROM、閃存和熔絲器件  15

2.2.2嵌入式新興存儲器在MCU中的應用  16

2.2.3嵌入式非易失性存儲器在各種應用中的必要屬性  17

2.3支持能量采集、具有嵌入式存儲器的超低功耗MCU電路  19

2.3.1采用能量采集的超低功耗MCU簡介  19

2.3.2支持能量采集、具有嵌入式閃存的超低功耗MCU  20

2.3.3支持能量采集、具有嵌入式FeRAM存儲器的超低功耗MCU  20

2.3.4支持能量采集、具有嵌入式RRAM存儲器的超低功耗MCU  21

2.3.5支持能量采集電源管理的超低功耗MCU  22

2.4超低功耗電池供電的閃存MCU  22

2.4.1超低功耗電池供電的閃存MCU簡介  22

2.4.2具有嵌入式閃存的超低功耗電池供電的閃存MCU  23

2.4.3具有嵌入式RRAM的超低功耗電池供電MCU  23

2.4.4具有嵌入式FeRAM的超低功耗電池供電MCU  24

2.5使用新興存儲器實現非易失性邏輯的非易失性MCU  26

2.5.1使用FeRAM的非易失性邏輯陣列  26

2.5.2使用MTJ MRAM的非易失性邏輯陣列  28

2.5.3用於非易失性邏輯陣列的RRAM處理器  30

2.6存儲器傳感器標簽的通信協議  34

2.6.1射頻識別標簽  34

2.6.2近場通信  34

2.6.3基於藍牙的信標和傳感器節點  36

2.6.4具有Wi-Fi的物聯網設備  38

2.6.5具有USB連接功能的物聯網設備  39

2.6.6單線連接  40

2.6.7ZigBee接口  40

2.6.8ANT接口  40

2.7可穿戴醫療設備  40

2.7.1可穿戴醫療設備概述  40

2.7.2使用FeRAM存儲器的微型助聽器  41

2.7.3使用CB-RAM存儲器的人體傳感器節點平臺  41

2.7.4以存儲為主使用MRAM的醫療保健繫統  42

2.7.5具有NFC和嵌入式eFeRAM存儲器的可穿戴生物監測  42

2.7.6使用FeRAM並配備ECG處理器的可穿戴醫療保健繫統  43

2.8低功耗電池供電的醫療設備和繫統  45

2.8.1低功耗電池供電醫療設備概述  45

2.8.2使用eFlash的低功耗電池供電醫療設備  45

2.8.3使用嵌入式新興存儲器的低功耗電池供電醫療設備  48

2.8.4醫療繫統的安全性  49

2.9汽車網絡應用  50

2.9.1汽車應用概述  50

2.9.2早期的高級汽車駕駛員輔助繫統  52

2.9.3近的高級駕駛員輔助繫統  54

2.9.4汽車導航和定位  54

2.9.5發動機蓋下的應用  55

2.9.6用於發動機蓋下應用的MONOS存儲器  56

2.9.7汽車信息娛樂繫統  57

2.9.8安全汽車  57

2.9.9汽車車身處理器  58

2.10智能電網和數碼智能電表  58

2.10.1智能電表市場概述  58

2.10.2具有嵌入式閃存的智能電表芯片  58

2.10.3具有大容量嵌入式閃存的智能電表芯片  58

2.11消費者家庭繫統和網絡  61

2.11.1遠程控制  61

2.11.2環境傳感器  62

2.11.3家庭網絡繫統  62

2.12具有嵌入式存儲器的電機控制芯片  62

2.12.1使用嵌入式存儲器的小型繫統電機控制  62

2.12.2使用嵌入式MONOS存儲器的多電機控制  63

2.12.3使用嵌入式NV FeRAM的電機控制  63

2.13高級應用中的智能芯片卡  63

2.14用於物聯網的大數據服務器中 存儲器的層次結構分析  64

參考文獻  66

第3章用於智能物聯網的嵌入式閃存和EEPROM  73

3.1智能物聯網eFlash和eEEPROM簡介  73

3.1.1智能物聯網eFlash和eEEPROM  73

3.1.2物聯網中嵌入式閃存的應用需求  74

3.2用於物聯網的單層多晶硅浮柵eFlash/EEPR  75

3.2.1物聯網應用中的單層多晶硅浮柵eFlash/EEPROM概述  75

3.2.2早期的單層多晶硅浮柵EEPROM  75

3.2.3用於特殊應用的單層多晶硅EEPR  79

3.2.4多次可編程單層多晶硅嵌入式非易失性存儲器  81

3.2.5近的單層多晶硅全CMOS嵌入式EEPROM器件  85

3.2.6高壓CMOS中的單層多晶硅eNVM  87

3.3使用多個單層多晶硅CMOS邏輯晶體管的嵌入式  88

3.4浮柵嵌入式閃存的分柵技術  92

3.4.1早期的分柵嵌入式閃存浮柵技術  92

3.4.2分柵存儲器的發布、外設和特定應用的浮柵分柵存儲器  96

3.4.3小於50nm的先進分柵浮柵技術  102

3.5堆疊閃存和處理器TSV集成  104

3.6OTP/MTP嵌入式Fla和熔絲  104

3.7具有堆疊柵極結構的雙層多晶硅閃存  106

3.8電荷捕獲嵌入式閃存  109

3.8.1早期的嵌入式電荷捕獲存儲器概述  109

3.8.2嵌入式40nm電荷捕獲（MONOS）閃存MCU  111

3.8.3嵌入式28nm電荷捕獲（MONOS）閃存MCU  113

3.8.4嵌入式應用的專用1T-MONOS 閃存宏  115

3.8.5FinFET SG-MONOS  116

3.8.6嵌入式電荷捕獲（SONOS）NOR閃存  117

3.8.7高壓CMOS中的嵌入式2TSONOS NVM  119

3.8.8自對準氮化邏輯NVM  120

3.8.9p溝道SONOS嵌入式閃存  121

3.8.10低能耗應用中的電荷捕獲嵌入式閃存  122

3.8.11DT BE-SONOS性能的阻擋氧化物和隧道氧化物  122

3.8.12新型嵌入式電荷捕獲存儲器  123

3.9分柵CT eFlash納米晶體存儲  127

3.10新型嵌入式閃存  129

參考文獻  130

第4章薄膜聚合物和柔性存儲器  136

4.1概述  136

4.2有機鐵電存儲器  136

4.2.1有機鐵電存儲器的特性和特點  136

4.2.2可印刷鐵電嵌入式存儲器  140

4.2.3薄膜鐵電存儲器的物聯網應用  144

4.3聚合物鐵電隧道結  145

4.4具有柔性基板的聚合物電阻式RAM的類型和特性  146

4.4.1具有柔性基板的聚合物電阻式RAM概述  146

4.4.2基於聚對二甲苯-C的電阻式RAM  146

4.4.3Cu原子開關  147

4.4.4柔性基板上的無機薄膜電阻式RAM  150

4.4.5IZO和IGZO電阻式RAM存儲器  152

4.4.6具有柔性基板的其他聚合物電阻式RAM  153

4.5柔性基片上的電荷捕獲納米粒子（NP）存儲器  159

4.5.1柔性基片上的電荷捕獲NP存儲器概述  159

4.5.2具有柔性襯底的碳納米管電荷捕獲存儲器  159

4.5.3噴墨印刷納米粒子存儲器  160

4.5.4柔性基板上的其他納米粒子電荷捕獲存儲器  161

4.6將常規存儲器芯片轉移到柔性基板上  163

4.6.1使用SOI基片轉移硅片  164

4.6.2使用底層空腔創建薄芯片  165

4.6.3用於在柔性基板上組裝硅芯片的扇出型晶圓級封裝  166

參考文獻  170

第5章使用新興NV存儲器件的神經形態計算  175

5.1神經形態繫統中電阻式RAM和鐵電RAM的概述  175

5.2各種電阻式RAM用作神經形態繫統中的突觸  175

5.2.1金屬氧化物電阻式RAM作為突觸  175

5.2.2導電橋RRAM作為突觸  178

5.2.3相變存儲器作為突觸  179

5.2.4PCMO RRAM作為突觸  179

5.2.5可同時增強和抑制的RRAM  180

5.2.6其他具有模擬特性的非易失性存儲器  181

5.33D神經形態存儲器  182

5.3.1作為密集TSV 3D結構的神經形態架構  182

5.3.23D垂直RRAM作為連的突觸  182

5.4RRAM作為突觸器件的建模和表征  186

5.5脈衝神經網絡、STDP、增強和抑制  187

5.5.1脈衝神經網絡簡介  187

5.5.2混合RRAM/CMOS STDP神經形態繫統  187

5.5.3記憶突觸繫統  191

5.5.4新型RRAM突觸的應用  193

5.6使用鐵電RAM技術的神經網絡繫統  195

5.6.1使用鐵電存儲器突觸的神經網絡電路  195

5.6.2在神經網絡電路中使用FeMEM  196

5.6.3神經形態電路中的鐵電隧道結  197

5.7使用相變存儲器的早期神經形態計算機  198

5.8神經形態繫統設計和應用中的電阻式RAM  201

5.8.1用於神經形態計算的突觸器件的設計  201

5.8.2在各種神經形態計算應用中使用RRAM  202

5.8.3用於神經形態計算的大型RRAM陣列設計  202

5.8.4RRAM相對於SRAM交叉陣列在矩陣乘法中的優勢 204

5.9使用聚合物和柔性存儲器的神經形態存儲器  204

參考文獻  207

第6章大數據搜索引擎和深度計算機  210

6.1大數據搜索引擎和深度計算機概述  210

6.2使用各種新興非易失性存儲器制作的內容可尋址存儲器  210

6.2.1使用電阻式RACAM  211

6.2.2使用磁存儲器制作的CAM  212

6.2.3使用其他新興存儲器的CAM  214

6.3大型搜索引擎和人工神經網絡的構成  214

6.3.1使用RRAM的大型搜索引擎的查找表  214

6.3.2使用STT MRAM的大型人工神經網絡  216

6.4深度學習繫統中的存儲器問題  218

6.4.1SRAM和RRAM突觸陣列的分區問題  218

6.4.2極限學習機架構的RRAM可變性問題  220

6.4.3受限玻耳茲曼機中RRAM存儲器的問題  220

6.4.4使用存儲器突觸的大型神經網絡  222

6.5物聯網的深度神經網絡  225

6.5.1物聯網深層神經網絡的類型  225

6.5.2含噪聲數據的深度神經網絡  226

6.5.3用於語音和視覺識別的深度神經網絡  227

6.5.4其他應用的深度神經網絡  231

參考文獻  232

第7章物聯網安全問題中的存儲器  234

7.1物聯網安全問題中的存儲器簡介  234

7.2用作物理不可克隆功能的存儲器  234

7.2.1RRAM用於物理不可克隆功能  235

7.2.2用作物理不可克隆功能的MRAM  241

7.2.3用作物理不可克隆功能的閃存  244

7.2.4用作物理不可克隆功能的其他存儲器  244

7.3基於片上存儲器的安全繫統  245

7.3.1片上安全繫統簡介  245

7.3.2物理安全密鑰和TAG的存儲  245

7.3.3安全繫統中的人臉和特征檢測  247

7.3.4嵌入式繫統的安全性  248

參考文獻  248

物聯網（Internet of Things，IoT）是從“機器通信”這一舊有概念演化而來的，它工作在不需要人工干預的環境下，由負責發送和接收數據的專用網絡部件組成。物聯網概念指的是具有網絡連接的日常物品，這些物品可以發送、接收和分析數據。智能物聯網不但可以發送、接收和分析數據，並且能夠根據數據的分析結果進行干預。我們希望，個別的專用網絡能將其知識傳遞給其他網絡，從而提升整個社會範圍內網絡的功能。

這樣的物聯網網絡無處不在。在零售商店裡，早期的條碼提供了商品的掃描信息，包括庫存、價格以及來源。在高端零售商店，可提供商品狀態信息的RFID標簽已取代了條形碼。例如，酒瓶上的溫度監測器可以檢測溫度，並記錄其所經歷的溫度。這些信息可以通過無線電從標簽發送到附近的接收器，接收器可以分析庫存的狀態，並對定價或退貨提出建議。這些建議也會被記錄在原始的RFID標簽上。

還有一些其他可相互通信的繫統構成智能網絡的例子。可穿戴醫療設備可以采集數據，並定期將數據傳輸到醫療服務提供者節點，輔助實現對患者的醫療監控和評估。醫療服務提供者節點還可以根據原始輸入數據，將推薦的治療方法反饋到可穿戴設備上，從而實現相關的醫療實踐。為了迅速形成成功的新療法，可采用類似的數據來收集治療的結果。

另一個例子是智能家居網絡。傳感器可以檢測運動、火災、煙霧、門鎖狀態；控制攝像機或音頻設備記錄以上信息，並依據智能網絡控制器發出的指令打開/關閉家用電器。一旦檢測到溫度升高或煙霧，表示發生了火災，此時智能家居網絡可以打開已安裝的噴水滅火繫統，同時啟動火警，通知消防部門，並向應急人員通報建築物內人員的存在和位置。通過沿著路緣安裝的傳感器，“智慧城市”交通管理繫統中的網絡可以記錄汽車的位置，並檢測汽車速度，使用嵌入式智能技術來控制交通信號燈，以改善交通流量。如果檢測到超速，這些傳感器還可以向交通監控器進行標示。作為可以提升人類生活質量的交互式網絡，智慧城市將在第1章中進行討論。

不同的物聯網應用對微處理器（MCU）的要求差別很大，並會影響MCU使用的嵌入式非易失性存儲器的類型。對不同的應用，嵌入式存儲器可能需要考慮的因素包括：待機功率、有源功率、耐久性、編程電壓、擦除電壓、讀寫速度和數據保持時間。還可選擇使用的嵌入式存儲器技術的類型。

人們感興趣的應用程序包括：用於能量采集的超低功耗MCU、用於電池供電應用的超低功耗MCU、具有非易失性陣列和電源門控的處理器、用於間歇性操作的處理器和通信處理器。汽車網絡應用中使用的處理器對嵌入式存儲器有不同的要求。第2章討論了不同物聯網應用中處理器及其嵌入式存儲器的不同特性。

想要低成本大容量地制造物聯網處理器，就需要在標準CMOS邏輯工藝生產線上大批量生產處理器中的存儲器。目前，大多數晶圓制造領域具有簡單的傳統嵌入式閃存宏和EEPROM宏，可作為在其工藝生產線上運行的MCU中的IP。隨著對物聯網處理器的需求不斷增加，已經開發出易於理解的邏輯兼容存儲器的新配置。第3章討論嵌入式浮柵閃存和EEPROM存儲器的現狀與發展，以及CMOS邏輯兼容的電荷捕獲存儲器。

對電池供電或能量采集的傳感器來說，對存儲器和處理器的要求是具有非常低的功耗和非常低的成本。對可穿戴設備，電路必須是柔性的。在沒有半導體處理開銷的情況下，大批量制造電路可以降低成本，因此在鐵電、電荷捕獲和電阻存儲器的研制中投入了大量工作，這些存儲器可以通過噴墨印刷或絲網印刷制成，並且還可以形成邏輯電路。第4章討論了，為實現物聯網中低功耗、低成本的柔性存儲器，行業技術所經歷的演變過程，並且討論了由柔性基板上安裝的薄硅芯片制成的高性能柔性電路。

位於互聯網邊緣的局域網（Local Area Network，LAN）可能會使用基於記憶的神經形態計算機，這些計算機目前正處在一個初期水平。使用這些本地智能節點意味著可以分析本地數據，並將結果發送到雲端。這可以提供更高級別的數據安全性。第5章討論了這些基於記憶的神經形態計算機的發展。

由諸多傳感器節點收集的大量數據和這些節點的標識數據必須存儲到廣泛可用的地方，通常存儲在構成互聯網雲的服務器組中。這些服務器中存儲器的層次結構對於繫統的高效運行至關重要。與雲服務器相關的復雜搜索引擎需要達到新的人工智能水平，目前仍處於研發階段。第6章討論了一些此類的人工智能繫統。

第7章討論涉及存儲器設備的因特網安全的各個方面，還介紹了基於新興存儲器設備（如MRAM和RRAM）的物理不可克隆功能（Physical Unclonable Function，PUF）的使用。