幾十年來，遙感節(jié)點(diǎn)的基本架構(gòu)由控制器、傳感器、本地存儲(chǔ)存儲(chǔ)器、網(wǎng)絡(luò)連接接口和電池組成。該架構(gòu)已在與現(xiàn)實(shí)世界輸入交互的所有系統(tǒng)中復(fù)制。在工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中，控制器以不同的速率監(jiān)控多個(gè)傳感器，將帶時(shí)間戳的傳感器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在本地存儲(chǔ)器或擴(kuò)展存儲(chǔ)器中，并通過 ProfiBus 等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)總線傳輸數(shù)據(jù)。對(duì)于汽車 ADAS 系統(tǒng)或事件數(shù)據(jù)記錄器（ EDR） 系統(tǒng)，多個(gè) MCU 同時(shí)收集和控制汽車的電子設(shè)備，以獲得更好的駕駛體驗(yàn)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(duì)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(chǔ)關(guān)鍵部分以及基于數(shù)據(jù)分析采取適當(dāng)行動(dòng)的基本問題。但是，它們都有不同的優(yōu)先級(jí)。工業(yè)系統(tǒng)傾向于在短時(shí)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(yuǎn)程維護(hù)詳細(xì)的日志。汽車系統(tǒng)可能會(huì)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(huì)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(shí)，存儲(chǔ)的長(zhǎng)期可靠性往往是一個(gè)關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)。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(shí)往往會(huì)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(zhǔn)確存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，同時(shí)消耗盡可能低的功率，因?yàn)檫@些系統(tǒng)使用電池供電。設(shè)計(jì)具有長(zhǎng)期可靠性和低功耗的故障安全數(shù)據(jù)存儲(chǔ)是醫(yī)療系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(chǎng)的每個(gè)設(shè)備都可以開始通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。保守估計(jì)，到 2020 年將有超過 100 億臺(tái)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，其中包括汽車、工業(yè)自動(dòng)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(shí)代設(shè)備。下一代 5G 網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)在部署全球多個(gè)地區(qū)，預(yù)計(jì)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(xué)家和系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員正試圖解決幾個(gè)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(shuí)為云買單？

一種簡(jiǎn)單的方法是將所有內(nèi)容上傳到云端并遠(yuǎn)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(chǔ)和處理的成本。自動(dòng)駕駛汽車在行駛時(shí)每小時(shí)可以產(chǎn)生數(shù) GB 的數(shù)據(jù)。為了預(yù)測(cè)未來的需求，現(xiàn)在是決定傳輸什么以及在本地存儲(chǔ)什么以供以后壓縮傳輸?shù)臅r(shí)候了。工業(yè)和醫(yī)療系統(tǒng)設(shè)計(jì)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?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)。

這些系統(tǒng)將需要可靠、低功耗、故障安全的存儲(chǔ)器來存儲(chǔ)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(jì)，因此它已普遍用于引導(dǎo)代碼和固件存儲(chǔ)。由于系統(tǒng)已經(jīng)可以使用閃存，因此設(shè)計(jì)人員可以輕松選擇使用閃存進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄，而無需了解閃存在執(zhí)行寫入操作時(shí)的技術(shù)限制。只有在事先擦除單元時(shí)，才能“編程”閃存單元以包含新數(shù)據(jù)。對(duì)單元進(jìn)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(shí)間，閃存制造商創(chuàng)建了不同的頁(yè)面、塊和扇區(qū)架構(gòu)。一頁(yè)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(shí)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的內(nèi)部頁(yè)面大小緩沖區(qū)。一旦從外部接口完成傳輸，器件就會(huì)在主陣列中已擦除的頁(yè)面上啟動(dòng)頁(yè)面編程操作。如果該頁(yè)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(shí)，F(xiàn)lash 單元都會(huì)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(dá)到此限制后不再保證能夠可靠地存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

一些制造商實(shí)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(shí)簡(jiǎn)化了器件中的程序操作，但它們并沒有減輕閃存器件對(duì)耐用性的底層技術(shù)限制。為了彌補(bǔ)這些限制，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員被迫實(shí)施復(fù)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(gè)單元中）。文件系統(tǒng)的軟件開銷會(huì)減慢系統(tǒng)速度。

讓我們?cè)u(píng)估設(shè)計(jì)人員可能會(huì)考慮使用基于閃存的存儲(chǔ)器進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄的場(chǎng)景。在工業(yè)自動(dòng)化和資產(chǎn)管理系統(tǒng)中，傳感器節(jié)點(diǎn)往往每秒捕獲數(shù)次數(shù)據(jù)，定期對(duì)幾種不同類型的傳感器進(jìn)行采樣。然后該節(jié)點(diǎn)組裝數(shù)據(jù)包以進(jìn)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(fēng)險(xiǎn)，因此這些數(shù)據(jù)包存儲(chǔ)在非易失性存儲(chǔ)器中以避免數(shù)據(jù)丟失。振動(dòng)傳感器或步進(jìn)電機(jī)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(gè)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(gè)耐用周期的 8Mbyte 閃存。

下圖提供了對(duì)這些數(shù)據(jù)的解釋。我們觀察到，對(duì)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(huì)在五年內(nèi)耗盡。汽車或工業(yè)系統(tǒng)預(yù)計(jì)將在現(xiàn)場(chǎng)使用十多年。

簡(jiǎn)單地添加更多閃存的低成本、高風(fēng)險(xiǎn)選項(xiàng)需要復(fù)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(shí)現(xiàn)文件系統(tǒng)，則系統(tǒng)需要在整個(gè)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(gè)問題只會(huì)在當(dāng)今的物聯(lián)網(wǎng)世界中變得更加嚴(yán)重?；陂W存的存儲(chǔ)器非常適合用于引導(dǎo)代碼和固件存儲(chǔ)，在該產(chǎn)品的整個(gè)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(shí)非易失性存儲(chǔ)器，它不會(huì)因編程和擦除延遲而使數(shù)據(jù)處于危險(xiǎn)之中。鐵電 RAM （FRAM） 適合處理這類應(yīng)用。FRAM 提供 10^14 個(gè)周期的耐用周期，具有即時(shí)非易失性，并且不需要編程和擦除操作。任何進(jìn)入設(shè)備界面的數(shù)據(jù)都會(huì)立即存儲(chǔ)。為了說明這一點(diǎn)，一個(gè) 4-Mbit FRAM 可以每 10us 記錄 128 字節(jié)的數(shù)據(jù)包流，并且不會(huì)磨損超過一千年。

FRAM 存儲(chǔ)單元僅在寫入或讀取時(shí)才會(huì)消耗功率，因此待機(jī)功耗約為幾微安。這使得在使用電池運(yùn)行的設(shè)備中操作 FRAM 存儲(chǔ)器成為可能。助聽器和設(shè)計(jì)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(yīng)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(shí)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(chǔ)器。如今，F(xiàn)RAM 存儲(chǔ)器可用于汽車和工業(yè)等特定市場(chǎng)。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