適用于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的故障安全數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

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。此體系結(jié)構(gòu)已復(fù)制到與實(shí)際輸入交互的所有系統(tǒng)中。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生命關(guān)鍵型傳感器數(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)都在試圖解決收集數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的關(guān)鍵部分以及根據(jù)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)汽車往往運(yùn)行超過十年，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)傾向于優(yōu)先考慮功耗。醫(yī)療植入物或助聽器經(jīng)過高度優(yōu)化，可以精確地存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，同時(shí)消耗盡可能低的功率，因?yàn)檫@些系統(tǒng)采用電池供電。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)的每臺(tái)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)備被連接。這些包括汽車，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)部署在世界多個(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，數(shù)據(jù)科學(xué)家和系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員今天正試圖解決幾個(gè)懸而未決的問題。

哪些設(shè)備需要連接到云？

需要廣播多少信息？

本地可以進(jìn)行多少處理？

誰(shuí)為云付費(fèi)？

一種微不足道的方法是將所有內(nèi)容上傳到云并遠(yuǎn)程處理處理。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)，并且有大量系統(tǒng)試圖上傳信息，我們就需要考慮網(wǎng)絡(luò)與本地存儲(chǔ)和處理的成本。自動(dòng)駕駛汽車在駕駛時(shí)每小時(shí)可以生成幾千兆字節(jié)的數(shù)據(jù)。為了預(yù)測(cè)未來的需求，現(xiàn)在是時(shí)候決定要傳輸哪些內(nèi)容以及在本地存儲(chǔ)哪些內(nèi)容以供以后進(jìn)行壓縮傳輸。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“本地流程并智能上傳”的方法。這使得選擇最佳的本地?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)與未來的系統(tǒng)相關(guān)。

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)專為高效的讀取操作而設(shè)計(jì)，因此在啟動(dòng)代碼和固件存儲(chǔ)中無處不在。由于閃存已經(jīng)可用于系統(tǒng)，設(shè)計(jì)人員可能會(huì)很容易地選擇使用閃存進(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。只有當(dāng)閃存單元事先被擦除時(shí)，才能將其“編程”為包含新數(shù)據(jù)。對(duì)單元進(jìn)行編程允許從邏輯“1”狀態(tài)更改為邏輯“0”。在下一次更新期間，如果單元格需要保存邏輯“1”，則必須首先擦除單元格。

為了優(yōu)化擦除速度和編程時(shí)間，F(xiàn)lash 制造商創(chuàng)建了不同的頁(yè)面、塊和扇區(qū)架構(gòu)。頁(yè)面是可以一次編程到閃存中的最小數(shù)據(jù)量。閃存設(shè)備包含一個(gè)內(nèi)部頁(yè)面大小緩沖區(qū)，允許臨時(shí)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。從外部接口傳輸完成后，設(shè)備將在主陣列中已擦除的頁(yè)面上啟動(dòng)頁(yè)面程序操作。如果此頁(yè)面包含舊數(shù)據(jù)，則必須在程序操作之前將其刪除。每次執(zhí)行擦除時(shí)，閃存單元都會(huì)變差。這種現(xiàn)象在閃存數(shù)據(jù)表中被量化為耐久性。通常，最佳閃存器件的耐久循環(huán)周期為100，000次擦除程序周期，并且在達(dá)到此限制后不再保證可靠地存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。雖然這個(gè)數(shù)字在紙面上看起來很大，但我們將證明，即使在低端數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)中，這種器件的耐用性也會(huì)很快不足。

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。雖然這些功能確實(shí)簡(jiǎn)化了程序中的設(shè)備操作，但它們并不能減輕閃存設(shè)備對(duì)耐用性的潛在技術(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)現(xiàn)一個(gè)復(fù)雜的文件系統(tǒng)來處理Flash單元的磨損均衡（即，在整個(gè)單元中均勻地散布磨損）。文件系統(tǒng)的軟件開銷會(huì)降低系統(tǒng)速度。

讓我們?cè)u(píng)估一下設(shè)計(jì)人員可能考慮使用基于閃存的存儲(chǔ)器進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄的情況。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)傾向于每秒多次捕獲數(shù)據(jù)，定期對(duì)幾種不同類型的傳感器進(jìn)行采樣。然后，節(jié)點(diǎn)組裝用于網(wǎng)絡(luò)上載的數(shù)據(jù)包。通常，這些數(shù)據(jù)包的范圍可以從 16 字節(jié)到 128 字節(jié)。由于始終存在電源故障的風(fēng)險(xiǎn)，因此這些數(shù)據(jù)包存儲(chǔ)在非易失性存儲(chǔ)器上以避免數(shù)據(jù)丟失。振動(dòng)傳感器或步進(jìn)電機(jī)位置傳感器每隔幾毫秒提供一次短時(shí)間的數(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)包大小與采樣率的比較分析，以及它如何磨損

閃存（如果用于數(shù)據(jù)記錄）。此示例使用具有 10^5 個(gè)耐久周期的 8MB 閃存。

下圖提供了此數(shù)據(jù)的解釋。我們觀察到，對(duì)于低端系統(tǒng)，每1毫秒記錄8-16字節(jié)的數(shù)據(jù)，8 MB的閃存在不到五年的時(shí)間內(nèi)就會(huì)磨損。汽車或工業(yè)系統(tǒng)預(yù)計(jì)將在現(xiàn)場(chǎng)使用十多年。

只需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)，則一旦整個(gè)內(nèi)存滾動(dòng)，系統(tǒng)就需要處理周期性的芯片擦除周期。隨著數(shù)據(jù)收集終端的不斷增加，這個(gè)問題只會(huì)在當(dāng)今的物聯(lián)網(wǎng)世界中加劇?；陂W存的存儲(chǔ)器非常適合啟動(dòng)代碼和固件存儲(chǔ)，其中寫入周期數(shù)在現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)品的整個(gè)生命周期內(nèi)不超過1，000。

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，這不會(huì)因程序和擦除延遲而使數(shù)據(jù)面臨風(fēng)險(xiǎn)。鐵電RAM（FRAM）適用于此類應(yīng)用。FRAM提供10 ^ 14個(gè)周期的耐久周期，具有即時(shí)非波動(dòng)性，并且不需要編程和擦除操作。進(jìn)入設(shè)備界面的任何數(shù)據(jù)都會(huì)立即存儲(chǔ)。為了說明這一點(diǎn)，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。用于采樣心跳的助聽器和高端醫(yī)療可穿戴設(shè)備是功耗敏感型應(yīng)用的示例，其中FRAM可以提供所需的低功耗和高耐久性能。在汽車系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)不斷記錄到存儲(chǔ)器中，基于閃存的系統(tǒng)將無法在閃存的“程序”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)非易失性使其成為互聯(lián)世界中關(guān)鍵數(shù)據(jù)記錄的理想替代存儲(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 Kb 到 4 Mb。

審核編輯：郭婷