物联网应用程序的故障安全数据存储

几十年来，遥感节点的基本架构由控制器、传感器、本地存储存储器、网络连接接口和电池组成。该架构已在与现实世界输入交互的所有系统中复制。在工业自动化系统中，控制器以不同的速率监控多个传感器，将带时间戳的传感器数据存储在本地存储器或扩展存储器中，并通过 ProfiBus 等行业标准总线传输数据。对于汽车 ADAS 系统或事件数据记录器（ EDR） 系统，多个 MCU 同时收集和控制汽车的电子设备，以获得更好的驾驶体验和故障安全数据记录。医疗系统需要类似的功能来处理对生命至关重要的传感器数据，这些数据要么在本地记录，要么定期上传到中央网络。

所有这些系统都试图解决收集数据、存储关键部分以及基于数据分析采取适当行动的基本问题。但是，它们都有不同的优先级。工业系统倾向于在短时间内从各种传感器捕获大量数据，并且必须在本地和远程维护详细的日志。汽车系统可能会以较慢的速度生成数据，但数据保留至关重要，在某些情况下，数据丢失可能会危及生命。由于大多数汽车的使用寿命往往超过十年，因此在选择合适的内存时，存储的长期可靠性往往是一个关键标准。另一方面，便携式医疗系统在选择最佳内存技术时往往会优先考虑功耗。医疗植入物或助听器经过高度优化，可以准确存储数据，同时消耗尽可能低的功率，因为这些系统使用电池供电。设计具有长期可靠性和低功耗的故障安全数据存储是医疗系统设计人员面临的关键挑战之一。

随着物联网 （IoT） 的出现，现场的每个设备都可以开始通过网络进行通信。保守估计，到 2020 年将有超过 100 亿台设备联网，其中包括汽车、工业自动化设备、医疗植入物以及可穿戴设备、智能家居等新时代设备。下一代 5G 网络已经在部署全球多个地区，预计将处理来自这些设备的大部分流量。但是，今天数据科学家和系统设计人员正试图解决几个未解决的问题。

哪些设备需要连接到云端？

需要传播多少信息？

本地可以做多少处理？

谁为云买单？

一种简单的方法是将所有内容上传到云端并远程处理。虽然这可能适用于较小和孤立的系统，但一旦世界变得更加互联并且大量系统试图上传信息，我们将需要考虑网络与本地存储和处理的成本。自动驾驶汽车在行驶时每小时可以产生数 GB 的数据。为了预测未来的需求，现在是决定传输什么以及在本地存储什么以供以后压缩传输的时候了。工业和医疗系统设计人员也将面临同样的问题。工业 4.0 已经从“将所有内容上传到云端”迁移到“本地处理并智能上传”的方法。这使得选择与未来系统相关的最佳本地数据存储。

这些系统将需要可靠、低功耗、故障安全的存储器来存储关键数据。一种方法是使用可用的闪存来记录数据。闪存技术专为高效读取操作而设计，因此它已普遍用于引导代码和固件存储。由于系统已经可以使用闪存，因此设计人员可以轻松选择使用闪存进行数据记录，而无需了解闪存在执行写入操作时的技术限制。只有在事先擦除单元时，才能“编程”闪存单元以包含新数据。对单元进行编程允许从逻辑“1”状态变为逻辑“0”。在下一次更新期间，如果单元需要保持逻辑“1”，则必须首先擦除该单元。

为了优化擦除速度和编程时间，闪存制造商创建了不同的页面、块和扇区架构。一页是可以一次编程到闪存中的最小数据量。闪存设备包含允许临时存储数据的内部页面大小缓冲区。一旦从外部接口完成传输，器件就会在主阵列中已擦除的页面上启动页面编程操作。如果该页包含旧数据，则必须在编程操作之前将其擦除。每次执行擦除时，Flash 单元都会劣化。这种现象在闪存数据表中被量化为耐久性。通常，最好的闪存器件的额定耐久周期为 100，000 次擦除编程周期，并且在达到此限制后不再保证能够可靠地存储数据。

一些制造商实现了从缓冲区到闪存的字节编程和延迟编程。虽然这些特性确实简化了器件中的程序操作，但它们并没有减轻闪存器件对耐用性的底层技术限制。为了弥补这些限制，系统设计人员被迫实施复杂的文件系统来处理闪存单元的磨损均衡（即，将磨损均匀地分布在整个单元中）。文件系统的软件开销会减慢系统速度。

让我们评估设计人员可能会考虑使用基于闪存的存储器进行数据记录的场景。在工业自动化和资产管理系统中，传感器节点往往每秒捕获数次数据，定期对几种不同类型的传感器进行采样。然后该节点组装数据包以进行网络上传。通常，这些数据包的范围可以从 16 字节到 128 字节。由于总是存在电源故障的风险，因此这些数据包存储在非易失性存储器中以避免数据丢失。振动传感器或步进电机位置传感器每几毫秒提供一次短脉冲数据，而温度或湿度等传感器每秒提供一次数据，但记录的数据包由来自多个传感器的数据组成。

下表提供了数据包大小与采样率及其磨损方式的比较分析

闪存（如果用于数据记录）。此示例使用具有 10^5 个耐用周期的 8Mbyte 闪存。

下图提供了对这些数据的解释。我们观察到，对于每 1 ms 记录 8-16 字节数据的低端系统，8 MB 闪存会在五年内耗尽。汽车或工业系统预计将在现场使用十多年。

简单地添加更多闪存的低成本、高风险选项需要复杂的文件系统来处理闪存设备中的磨损均衡。如果未实现文件系统，则系统需要在整个内存翻转后处理周期性的芯片擦除周期。随着数据采集终端的不断增加，这个问题只会在当今的物联网世界中变得更加严重。基于闪存的存储器非常适合用于引导代码和固件存储，在该产品的整个生命周期内，写入周期数不超过 1，000 次。

解决数据记录问题的理想方法是使用高耐用性、即时非易失性存储器，它不会因编程和擦除延迟而使数据处于危险之中。铁电 RAM （FRAM） 适合处理这类应用。FRAM 提供 10^14 个周期的耐用周期，具有即时非易失性，并且不需要编程和擦除操作。任何进入设备界面的数据都会立即存储。为了说明这一点，一个 4-Mbit FRAM 可以每 10us 记录 128 字节的数据包流，并且不会磨损超过一千年。

FRAM 存储单元仅在写入或读取时才会消耗功率，因此待机功耗约为几微安。这使得在使用电池运行的设备中操作 FRAM 存储器成为可能。助听器和设计用于采集心跳的高端医疗可穿戴设备是功率敏感型应用的例子，FRAM 可以提供所需的低功耗和高耐用性能。在汽车系统中，数据连续记录到内存中，基于 Flash 的系统将无法在 Flash 的“编程”期间捕获数据。相比之下，基于 FRAM 的日志记录为这些系统提供了高可靠性。

FRAM 的高耐用性、超低功耗和即时非易失性使其成为连接世界中关键数据记录的引人注目的替代存储器。如今，FRAM 存储器可用于汽车和工业等特定市场。FRAM 还支持 SPI、I2C 和并行接口，密度范围从 4 Kbits 到 4 Mbits。

审核编辑：郭婷