幾十年來，遙感節(jié)點的基本架構(gòu)由控制器、傳感器、本地存儲存儲器、網(wǎng)絡(luò)連接接口和電池組成。該架構(gòu)已在與現(xiàn)實世界輸入交互的所有系統(tǒng)中復制。在工業(yè)自動化系統(tǒng)中，控制器以不同的速率監(jiān)控多個傳感器，將帶時間戳的傳感器數(shù)據(jù)存儲在本地存儲器或擴展存儲器中，并通過 ProfiBus 等行業(yè)標準總線傳輸數(shù)據(jù)。對于汽車 ADAS 系統(tǒng)或事件數(shù)據(jù)記錄器（ EDR） 系統(tǒng)，多個 MCU 同時收集和控制汽車的電子設(shè)備，以獲得更好的駕駛體驗和故障安全數(shù)據(jù)記錄。醫(yī)療系統(tǒng)需要類似的功能來處理對生命至關(guān)重要的傳感器數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)要么在本地記錄，要么定期上傳到中央網(wǎng)絡(luò)。

所有這些系統(tǒng)都試圖解決收集數(shù)據(jù)、存儲關(guān)鍵部分以及基于數(shù)據(jù)分析采取適當行動的基本問題。但是，它們都有不同的優(yōu)先級。工業(yè)系統(tǒng)傾向于在短時間內(nèi)從各種傳感器捕獲大量數(shù)據(jù)，并且必須在本地和遠程維護詳細的日志。汽車系統(tǒng)可能會以較慢的速度生成數(shù)據(jù)，但數(shù)據(jù)保留至關(guān)重要，在某些情況下，數(shù)據(jù)丟失可能會危及生命。由于大多數(shù)汽車的使用壽命往往超過十年，因此在選擇合適的內(nèi)存時，存儲的長期可靠性往往是一個關(guān)鍵標準。另一方面，便攜式醫(yī)療系統(tǒng)在選擇最佳內(nèi)存技術(shù)時往往會優(yōu)先考慮功耗。醫(yī)療植入物或助聽器經(jīng)過高度優(yōu)化，可以準確存儲數(shù)據(jù)，同時消耗盡可能低的功率，因為這些系統(tǒng)使用電池供電。設(shè)計具有長期可靠性和低功耗的故障安全數(shù)據(jù)存儲是醫(yī)療系統(tǒng)設(shè)計人員面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一。

隨著物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 的出現(xiàn)，現(xiàn)場的每個設(shè)備都可以開始通過網(wǎng)絡(luò)進行通信。保守估計，到 2020 年將有超過 100 億臺設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，其中包括汽車、工業(yè)自動化設(shè)備、醫(yī)療植入物以及可穿戴設(shè)備、智能家居等新時代設(shè)備。下一代 5G 網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)在部署全球多個地區(qū)，預計將處理來自這些設(shè)備的大部分流量。但是，今天數(shù)據(jù)科學家和系統(tǒng)設(shè)計人員正試圖解決幾個未解決的問題。

哪些設(shè)備需要連接到云端？

需要傳播多少信息？

本地可以做多少處理？

誰為云買單？

一種簡單的方法是將所有內(nèi)容上傳到云端并遠程處理。雖然這可能適用于較小和孤立的系統(tǒng)，但一旦世界變得更加互聯(lián)并且大量系統(tǒng)試圖上傳信息，我們將需要考慮網(wǎng)絡(luò)與本地存儲和處理的成本。自動駕駛汽車在行駛時每小時可以產(chǎn)生數(shù) GB 的數(shù)據(jù)。為了預測未來的需求，現(xiàn)在是決定傳輸什么以及在本地存儲什么以供以后壓縮傳輸?shù)臅r候了。工業(yè)和醫(yī)療系統(tǒng)設(shè)計人員也將面臨同樣的問題。工業(yè) 4.0 已經(jīng)從“將所有內(nèi)容上傳到云端”遷移到“本地處理并智能上傳”的方法。這使得選擇與未來系統(tǒng)相關(guān)的最佳本地數(shù)據(jù)存儲。

這些系統(tǒng)將需要可靠、低功耗、故障安全的存儲器來存儲關(guān)鍵數(shù)據(jù)。一種方法是使用可用的閃存來記錄數(shù)據(jù)。閃存技術(shù)專為高效讀取操作而設(shè)計，因此它已普遍用于引導代碼和固件存儲。由于系統(tǒng)已經(jīng)可以使用閃存，因此設(shè)計人員可以輕松選擇使用閃存進行數(shù)據(jù)記錄，而無需了解閃存在執(zhí)行寫入操作時的技術(shù)限制。只有在事先擦除單元時，才能“編程”閃存單元以包含新數(shù)據(jù)。對單元進行編程允許從邏輯“1”狀態(tài)變?yōu)檫壿嫛?”。在下一次更新期間，如果單元需要保持邏輯“1”，則必須首先擦除該單元。

為了優(yōu)化擦除速度和編程時間，閃存制造商創(chuàng)建了不同的頁面、塊和扇區(qū)架構(gòu)。一頁是可以一次編程到閃存中的最小數(shù)據(jù)量。閃存設(shè)備包含允許臨時存儲數(shù)據(jù)的內(nèi)部頁面大小緩沖區(qū)。一旦從外部接口完成傳輸，器件就會在主陣列中已擦除的頁面上啟動頁面編程操作。如果該頁包含舊數(shù)據(jù)，則必須在編程操作之前將其擦除。每次執(zhí)行擦除時，F(xiàn)lash 單元都會劣化。這種現(xiàn)象在閃存數(shù)據(jù)表中被量化為耐久性。通常，最好的閃存器件的額定耐久周期為 100，000 次擦除編程周期，并且在達到此限制后不再保證能夠可靠地存儲數(shù)據(jù)。

一些制造商實現(xiàn)了從緩沖區(qū)到閃存的字節(jié)編程和延遲編程。雖然這些特性確實簡化了器件中的程序操作，但它們并沒有減輕閃存器件對耐用性的底層技術(shù)限制。為了彌補這些限制，系統(tǒng)設(shè)計人員被迫實施復雜的文件系統(tǒng)來處理閃存單元的磨損均衡（即，將磨損均勻地分布在整個單元中）。文件系統(tǒng)的軟件開銷會減慢系統(tǒng)速度。

讓我們評估設(shè)計人員可能會考慮使用基于閃存的存儲器進行數(shù)據(jù)記錄的場景。在工業(yè)自動化和資產(chǎn)管理系統(tǒng)中，傳感器節(jié)點往往每秒捕獲數(shù)次數(shù)據(jù)，定期對幾種不同類型的傳感器進行采樣。然后該節(jié)點組裝數(shù)據(jù)包以進行網(wǎng)絡(luò)上傳。通常，這些數(shù)據(jù)包的范圍可以從 16 字節(jié)到 128 字節(jié)。由于總是存在電源故障的風險，因此這些數(shù)據(jù)包存儲在非易失性存儲器中以避免數(shù)據(jù)丟失。振動傳感器或步進電機位置傳感器每幾毫秒提供一次短脈沖數(shù)據(jù)，而溫度或濕度等傳感器每秒提供一次數(shù)據(jù)，但記錄的數(shù)據(jù)包由來自多個傳感器的數(shù)據(jù)組成。

下表提供了數(shù)據(jù)包大小與采樣率及其磨損方式的比較分析

閃存（如果用于數(shù)據(jù)記錄）。此示例使用具有 10^5 個耐用周期的 8Mbyte 閃存。

下圖提供了對這些數(shù)據(jù)的解釋。我們觀察到，對于每 1 ms 記錄 8-16 字節(jié)數(shù)據(jù)的低端系統(tǒng)，8 MB 閃存會在五年內(nèi)耗盡。汽車或工業(yè)系統(tǒng)預計將在現(xiàn)場使用十多年。

簡單地添加更多閃存的低成本、高風險選項需要復雜的文件系統(tǒng)來處理閃存設(shè)備中的磨損均衡。如果未實現(xiàn)文件系統(tǒng)，則系統(tǒng)需要在整個內(nèi)存翻轉(zhuǎn)后處理周期性的芯片擦除周期。隨著數(shù)據(jù)采集終端的不斷增加，這個問題只會在當今的物聯(lián)網(wǎng)世界中變得更加嚴重。基于閃存的存儲器非常適合用于引導代碼和固件存儲，在該產(chǎn)品的整個生命周期內(nèi)，寫入周期數(shù)不超過 1，000 次。

解決數(shù)據(jù)記錄問題的理想方法是使用高耐用性、即時非易失性存儲器，它不會因編程和擦除延遲而使數(shù)據(jù)處于危險之中。鐵電 RAM （FRAM） 適合處理這類應用。FRAM 提供 10^14 個周期的耐用周期，具有即時非易失性，并且不需要編程和擦除操作。任何進入設(shè)備界面的數(shù)據(jù)都會立即存儲。為了說明這一點，一個 4-Mbit FRAM 可以每 10us 記錄 128 字節(jié)的數(shù)據(jù)包流，并且不會磨損超過一千年。

FRAM 存儲單元僅在寫入或讀取時才會消耗功率，因此待機功耗約為幾微安。這使得在使用電池運行的設(shè)備中操作 FRAM 存儲器成為可能。助聽器和設(shè)計用于采集心跳的高端醫(yī)療可穿戴設(shè)備是功率敏感型應用的例子，F(xiàn)RAM 可以提供所需的低功耗和高耐用性能。在汽車系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)連續(xù)記錄到內(nèi)存中，基于 Flash 的系統(tǒng)將無法在 Flash 的“編程”期間捕獲數(shù)據(jù)。相比之下，基于 FRAM 的日志記錄為這些系統(tǒng)提供了高可靠性。

FRAM 的高耐用性、超低功耗和即時非易失性使其成為連接世界中關(guān)鍵數(shù)據(jù)記錄的引人注目的替代存儲器。如今，F(xiàn)RAM 存儲器可用于汽車和工業(yè)等特定市場。FRAM 還支持 SPI、I2C 和并行接口，密度范圍從 4 Kbits 到 4 Mbits。

審核編輯：郭婷