不要让存储成为物联网、元宇宙和汽车设计事后的想法

嵌入式设备正在产生巨大的数据激增。对于任何在物联网领域工作的人来说，这应该不足为奇。可能令人惊讶的是这种激增有多大。

据 IDC 称，到 2025 年，物联网设备将生成超过 73 ZB 的数据。

换句话说，随着物联网热潮的继续，这些设备将产生巨大的数据浪潮，需要引导、处理和存储。

这个问题不仅限于任何一个行业。根据研究公司 Yole Développement 的数据，汽车制造商在 2021 年安装了 40 亿千兆字节 （GB） 的基于 NAND 的存储，到 2024 年可能需要 160 亿 GB，到 2028 年可能需要 780 亿 GB。与此同时，西部数据估计，2020 年智能手机用户每个用户每天产生的存储工作负载高达 30GB，高于 2015 年的每天不到 15GB。

在数据浪潮冲击您之前，做好准备是值得的。

规划嵌入式存储

一个简单的事实是，现代的、永远在线的、完全数字化的世界依赖于大量的数据。嵌入式系统的开发人员和系统架构师需要从产品开发过程的开始就考虑存储需求，无论其行业如何。

这不仅仅是关于数量——尽管这显然是一个重要的考虑因素。存储用户需要评估性能（读/写操作的速度）和可靠性，以减少平均无故障时间 （MTBF）。可靠性的一部分与耐用性有关，耐用性本质上是在设备的生命周期内写入和重写大量数据的能力。用户在选择存储时还必须考虑其设计或产品的特定连接和容量需求。

让我们从连接开始。在开发非嵌入式、依赖云的应用程序时，存储相对容易解决：只需分配更多的 S3 存储桶即可。要是物联网这么简单就好了。的确，对于长期存储，来自物联网设备的数据可以像任何其他位一样存储在云中。云是物联网等式的重要组成部分，但它不是一站式商店。

云存储取决于设备连接到云的能力，在许多应用程序中，网络连接不是给定的。地下深处或海上的设备可能会长时间与互联网断开连接，因此无法访问云存储。对于依赖嵌入式传感器的自动驾驶汽车，无线连接的延迟和间歇性可能会带来不可接受的风险。对于此类设备，板载存储要快得多，也更可靠。

对于嵌入式设备，耐用性比位于数据中心的个人移动设备或系统更大，在数据中心，更换很简单。更换位于离地面 300 米的天线尖端或海上钻井平台水下深处的设备中的存储单元要困难得多。因此，设计人员希望选择能够持续很长时间的存储，无论是在耐用性（许多读/写周期）还是在设备生命周期内可能需要的容量方面。

正确测量耐力

存储设备的耐用性是通过您可以写入的数据量（以 TB 为单位）来衡量的。写入 TB 数 （TBW） 限制因存储类型而异，因此您需要根据预期的实际工作负载估计数据写入要求。

另一个需要考虑的重要项目是写入放大因子 （WAF）。WAF 是实际写入 NAND 的数据量与系统发送到 NAND 的数据量。如果设备收到大量未填满内存页的数据写入，则这两个数字可能会有所不同。这会导致空存储空间分布在许多不同的页面上，只能通过移动数据来释放（类似于对硬盘驱动器进行碎片整理）。移动该数据的过程会消耗额外的写入操作。

这意味着，如果主机向支持汽车应用的存储设备发送 50TB 的数据，并且设备必须移动大量数据以有效地填充内存页，导致 WAF 为 3.0，则到 NAND 的实际 TBW 为 150TB。显然，这将导致NAND的使用寿命比您预期的WAF为1.0要短得多。在主机端可以做一些事情来解决这个问题，但是如果你计算错误，在这种情况下，实际使用寿命只能是这个数字的1/3，并可能导致系统意外失败。这只是系统设计人员需要知道汽车将如何访问存储设备并考虑产品寿命的另一个原因。

为 IIoT 设计存储

工业设备有其独特的要求，这些要求因具体应用而异。

环境：设备将在什么环境中运行？可能影响存储设备可靠性和性能的环境条件包括海拔、温度、湿度和振动。高压和加速度也可能发挥作用。确保您使用的存储的额定值适合在其预期环境中运行 — 或者针对将来可能遇到的环境进行未来验证。

耐力：您可以向设备写入多少数据？如上所述，设备的寿命很重要，但写入频率也很重要。新工作负载通常需要能够长时间支持连续读取和写入操作的存储。更高的耐用性将减少所需的维护量。

数据保留：您需要将数据可靠地存储多长时间？数据是在端点、“边缘”设备附近的现场设备还是在云中进行处理和分析？对于某些工业应用，您需要将数据保留更长时间：例如，在农业或天气应用中，您可能需要将数据保留数月或数年，以便比较季节性温度模式。您的存储解决方案需要能够根据应用程序和组织（或行业）的数据保留策略，根据需要保留数据。

远程监控：IIoT设备并不总是很容易访问。如何监控这些设备以确保它们正常运行，或在缺陷实际发生之前预测缺陷？监控和预测性维护已经是生产设备的常见考虑因素，对于IIoT设备和支持它们的存储也很重要。

汽车应用中的存储

用于乘用车、卡车或其他车辆的嵌入式设备需要足够坚固，以承受各种环境，除了灰尘、污垢、振动和加速度。此外，安全问题和法规可能会施加其独特的要求。以下是汽车行业的一些存储注意事项。

汽车级：在开发用于汽车的嵌入式设备时，汽车级存储是必须的。这些器件需要承受更宽的温度范围，从-40C到105C。为了满足汽车行业的严格要求，这些存储单元将经过广泛的测试，以确保它们不易出现故障。

接口：汽车设备的设计人员拥有广泛的存储接口，包括SD、e.MMC、UFS和PCIe。使用哪一个将取决于所使用的 SoC。但性能要求也会影响此选择。

例如，e.MMC对于不需要超高速读写的应用来说是一个不错的选择，并且可以帮助避免高性能设计带来的路由和信号完整性挑战。UFS 是性能的下一个提升，并且越来越受欢迎。PCIe 即将问世，将成为支持高性能应用程序的不错选择。

耐力：最后，在汽车领域，就像在IIoT中一样，耐用性很重要。车辆生成大量数据，这可能导致大量的读写操作。确保所用存储的 TBW 容量适合所构建设备的预期寿命。

元宇宙及其他领域的存储

您可能不认为嵌入式设备会在元宇宙中发挥重要作用，但它们确实如此——从用于真正沉浸式虚拟现实 （VR） 体验的 3D 耳机到更便携的眼镜，当用户在现实世界中四处走动时提供增强现实 （AR） 体验。此类设备利用嵌入式存储，这带来了自己的一系列考虑因素。

功耗：虽然我们在AR和VR设备的开发中仍处于早期阶段，但有一些通用准则。这些设备中的存储将大量借鉴智能手机等移动设备的需求。功耗至关重要，因为它会影响电池寿命——这是消费者最关心的问题。

重量：在 AR 中，体重可能变得异常显著。对于眼镜等可穿戴设备，每一克都很重要。如果您的眼镜仅重 12 克，那么即使增加一两克也是一个明显的差异。存储设备的外形尺寸和大小会影响其重量，应予以考虑。

无论我们是否都要戴着AR眼镜四处走动，有一点是明确的：嵌入式计算的行业和用例的范围正在继续扩大。这意味着数据量将继续增加，随之而来的是需要更多的存储，以及比以往任何时候都更快、更持久、更能抵抗环境因素的存储。嵌入式系统设计人员最好不要让存储成为事后的想法，并在规划下一代物联网时从一开始就考虑存储。

审核编辑：郭婷