如何實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的無(wú)故障數(shù)據(jù)儲(chǔ)存

幾十年來(lái)，遠(yuǎn)程控制節(jié)點(diǎn)的基本架構(gòu)都是由控制器、傳感器、本地存儲(chǔ)器、網(wǎng)絡(luò)連接接口和電池組成。這一架構(gòu)廣泛應(yīng)用于實(shí)際操作所控制的系統(tǒng)中。在工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中，控制器以不同速率監(jiān)控多個(gè)傳感器，將已標(biāo)記時(shí)間的傳感器數(shù)據(jù)保存在本地或擴(kuò)展存儲(chǔ)器內(nèi)，然后通過(guò)ProfiBus等工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)總線傳輸數(shù)據(jù)。在高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)或車輛事件記錄器(EDR)中，多個(gè)MCU能夠同時(shí)采集、控制汽車電子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，從而提供優(yōu)質(zhì)的駕駛體驗(yàn)與無(wú)故障的數(shù)據(jù)保障。醫(yī)療系統(tǒng)也有類似的應(yīng)用：通過(guò)傳感器獲得的關(guān)鍵患者數(shù)據(jù)，將被存儲(chǔ)在本地，或者定期上傳進(jìn)行集中存儲(chǔ)。

這些系統(tǒng)都在試圖解決數(shù)據(jù)采集、關(guān)鍵數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及基于數(shù)據(jù)分析采取相應(yīng)行動(dòng)過(guò)程中的核心和基礎(chǔ)問(wèn)題。但是，不同系統(tǒng)解決問(wèn)題的側(cè)重點(diǎn)也有所不同。工業(yè)系統(tǒng)傾向于在很短的時(shí)間間隔內(nèi)，從眾多不同的傳感器中采集海量數(shù)據(jù)，同時(shí)必須在本地和遠(yuǎn)程留存詳細(xì)的日志記錄。汽車系統(tǒng)數(shù)據(jù)生成速率較低，但數(shù)據(jù)重要性高。在某些情況下，數(shù)據(jù)的丟失或?qū)?huì)威脅駕乘人員的生命安全。大多數(shù)汽車的使用壽命都超過(guò)十年，因此在選擇存儲(chǔ)器時(shí)，其使用壽命與可靠性便成為了十分重要的考量標(biāo)準(zhǔn)。便攜式醫(yī)療系統(tǒng)在選擇理想的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)，則注重功耗的表現(xiàn)。由于植入式醫(yī)療器械、助聽(tīng)器等設(shè)備都是由電池進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，因此它們更傾向于選擇能耗低同時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)精確度高的存儲(chǔ)器。兼具長(zhǎng)期可靠性和低能耗的無(wú)故障數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，往往成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)師選擇存儲(chǔ)產(chǎn)品的重大挑戰(zhàn)。

隨著物聯(lián)網(wǎng)的逐步興起，所有設(shè)備都開(kāi)始通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)。保守估計(jì)，2020年將有100億臺(tái)設(shè)備實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)，其中包括汽車、工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備、植入式醫(yī)療器械、可穿戴設(shè)備和智能家居等新一代產(chǎn)品。下一代5G網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)開(kāi)始在某些地區(qū)部署并有望承擔(dān)上述設(shè)備產(chǎn)生的大部分流量。但是，數(shù)據(jù)科學(xué)家和系統(tǒng)設(shè)計(jì)師仍有幾個(gè)尚未解決的問(wèn)題：

哪些設(shè)備需要與云連接?需要傳播多少信息?有多少信息能在本地處理?誰(shuí)來(lái)支付云的費(fèi)用?

一個(gè)方案是把所有信息都上傳到云，遠(yuǎn)程對(duì)信息進(jìn)行處理。但這一方案只適用于規(guī)模小而分散的系統(tǒng)。隨著世界互聯(lián)的程度不斷提高，將會(huì)有大量甚至過(guò)剩的系統(tǒng)進(jìn)行信息的上傳，在這樣的情況下我們需要考慮網(wǎng)絡(luò)和本地兩種存儲(chǔ)和處理的成本差異。在行駛過(guò)程中，一輛自動(dòng)駕駛汽車每小時(shí)將會(huì)生成數(shù)G的數(shù)據(jù)。因此為了預(yù)測(cè)未來(lái)的需求，我們現(xiàn)在必須決定哪些信息需要實(shí)時(shí)傳送、哪些可以在本地存儲(chǔ)，從而日后再進(jìn)行壓縮傳送。工業(yè)和醫(yī)療領(lǐng)域的系統(tǒng)設(shè)計(jì)師面臨著同樣的問(wèn)題。在“工業(yè)4.0”的進(jìn)程中，“上傳所有數(shù)據(jù)到云”的方式正在逐步轉(zhuǎn)變成為“本地處理，智能上傳”的方式。因此，如何選擇最好的本地?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)對(duì)未來(lái)的系統(tǒng)發(fā)展極為重要。

為了保存重要數(shù)據(jù)，這些系統(tǒng)均需要高可靠、低能耗、高安全性的存儲(chǔ)器。一個(gè)方法是使用現(xiàn)有的閃存來(lái)記錄數(shù)據(jù)。閃存技術(shù)具有高效讀取的能力，因此已經(jīng)被廣泛用于啟動(dòng)代碼和固件的存儲(chǔ)。對(duì)于現(xiàn)有系統(tǒng)的設(shè)備，在執(zhí)行寫入操作時(shí)，設(shè)計(jì)師無(wú)需了解閃存的技術(shù)限制，即可使用閃存來(lái)記錄數(shù)據(jù)。閃存單元只有在事先已被擦除的情況下才能存儲(chǔ)新數(shù)據(jù)。對(duì)閃存單元進(jìn)行編程時(shí)，可將邏輯值由“1”變?yōu)椤?”。在下一次升級(jí)中，如果存儲(chǔ)單元需要保持邏輯值“1”，就需要擦除數(shù)據(jù)。為了加快擦除速度、縮短程序時(shí)間，閃存制造商設(shè)計(jì)了各種頁(yè)、塊和扇區(qū)架構(gòu)。頁(yè)是能夠一次編程寫入閃存的最小數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單位。閃存設(shè)備設(shè)有內(nèi)部的頁(yè)容量緩沖區(qū)，用于臨時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。當(dāng)外部接口的數(shù)據(jù)傳輸完成時(shí)，設(shè)備將立即對(duì)主陣列中被擦除的頁(yè)執(zhí)行頁(yè)程序。如果該頁(yè)包含舊數(shù)據(jù)，則必須在程序啟動(dòng)前予以擦除。每次執(zhí)行擦除時(shí)，閃存單元都會(huì)退化。這一現(xiàn)象通常作為在閃存的耐久性指標(biāo)進(jìn)行量化記錄。耐久性最好的閃存設(shè)備一般可以承受10萬(wàn)次的擦除程序循環(huán)，在達(dá)到這一限值后將無(wú)法保證存儲(chǔ)的穩(wěn)定性。盡管這一數(shù)字看起來(lái)很巨大，但這一數(shù)字甚至連低端的數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)的需求都很難滿足。

某些制造商則采用字節(jié)編程，并且把編程由緩沖區(qū)推到閃存進(jìn)行。盡管這一設(shè)計(jì)可以簡(jiǎn)化設(shè)備內(nèi)的程序運(yùn)行，但卻不能使閃存擺脫潛在的耐久性限制。為了抵消上述限制，系統(tǒng)設(shè)計(jì)師被迫采用一種復(fù)雜的文件系統(tǒng)來(lái)保證閃存單元的耗損均衡(wear levelling)。文件系統(tǒng)的軟件會(huì)減緩系統(tǒng)的運(yùn)行速度。

設(shè)想一種情況，設(shè)計(jì)師考慮使用一種基于閃存的存儲(chǔ)器來(lái)記錄數(shù)據(jù)。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)會(huì)以每秒數(shù)次的速度抓取數(shù)據(jù)，并定期對(duì)各種傳感器進(jìn)行取樣，然后整理數(shù)據(jù)包上傳網(wǎng)絡(luò)。一般來(lái)說(shuō)，數(shù)據(jù)包的取樣數(shù)從16字節(jié)到128字節(jié)不等。由于停電的風(fēng)險(xiǎn)不可能完全避免，為了防止數(shù)據(jù)丟失，設(shè)計(jì)師使用非易失性存儲(chǔ)器來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。振動(dòng)傳感器或步進(jìn)電機(jī)位置傳感器每幾毫秒都會(huì)發(fā)送脈沖式數(shù)據(jù)，而溫度或濕度傳感器則每隔幾秒才發(fā)送一次數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)包則存儲(chǔ)眾多傳感器的數(shù)據(jù)。

下表為數(shù)據(jù)包容量與取樣率的比較分析，以及數(shù)據(jù)記錄時(shí)耗損閃存的規(guī)律。分析使用了10萬(wàn)次耐久循環(huán)的8兆閃存

以下圖表對(duì)這一數(shù)據(jù)進(jìn)行了明確解讀。我們發(fā)現(xiàn)，對(duì)于每1毫秒記錄8-16字節(jié)數(shù)據(jù)的低端系統(tǒng)，8兆閃存會(huì)在5年內(nèi)損耗。但是，汽車或工業(yè)系統(tǒng)的損耗期限應(yīng)當(dāng)超過(guò)10年。

如果采用簡(jiǎn)單增加閃存這種低成本、高風(fēng)險(xiǎn)的的方式，則需要復(fù)雜的文件系統(tǒng)對(duì)損耗均衡進(jìn)行管理。如果沒(méi)有部署文件系統(tǒng)，系統(tǒng)則需要在替換整個(gè)存儲(chǔ)器之后，定期執(zhí)行芯片擦除循環(huán)。在今天的物聯(lián)網(wǎng)世界中，隨著數(shù)據(jù)采集終端的持續(xù)激增，這一問(wèn)題正在不斷惡化。對(duì)于存儲(chǔ)產(chǎn)品壽命期內(nèi)寫入循環(huán)次數(shù)不超過(guò)1000次的啟動(dòng)代碼和固件程序來(lái)說(shuō)，基于閃存的存儲(chǔ)器是非常合適的。解決這種數(shù)據(jù)記錄問(wèn)題的一個(gè)理想方法是：使用高耐久性和非易失性的存儲(chǔ)器，它們不會(huì)由于程序和擦除的延遲而造成數(shù)據(jù)風(fēng)險(xiǎn)。F-RAM具備承受高達(dá)1014次擦除循環(huán)的耐久性，具備瞬間非易失性，且無(wú)需編程和擦除操作，實(shí)時(shí)存儲(chǔ)進(jìn)入設(shè)備接口的所有數(shù)據(jù)。例如，一個(gè)4兆的 F-RAM存儲(chǔ)能夠在每10微秒處理128字節(jié)的數(shù)據(jù)流，在1000多年的時(shí)間內(nèi)都不會(huì)損耗完畢。

F-RAM存儲(chǔ)器單元只有在寫入或讀取時(shí)才會(huì)耗電，待機(jī)能耗只有幾微安培，因此F-RAM是那些依仗電池驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品的最佳解決方案。F-RAM適用于對(duì)能耗要求較高的助聽(tīng)器和用于心率采樣的高端可穿戴醫(yī)療設(shè)備。此外，汽車系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)會(huì)持續(xù)不斷地了錄入存儲(chǔ)器，基于閃存的系統(tǒng)無(wú)法在閃存“編程”期間抓取數(shù)據(jù)。只有基于F-RAM的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，可以為該系統(tǒng)提供高可靠性。

具備近乎無(wú)限的耐久性、超低功耗和瞬間非易失性的F-RAM非常適合用于互聯(lián)世界中的重要數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。