幾十年來，遙感節點的基本架構由控制器、傳感器、本地存儲存儲器、網絡連接接口和電池組成。此體系結構已復制到與實際輸入交互的所有系統中。在工業自動化系統中，控制器以不同的速率監控多個傳感器，將帶時間戳的傳感器數據存儲在本地存儲器或擴展存儲器中，并通過ProfiBus等行業標準總線傳輸數據。對于汽車ADAS系統或事件數據記錄器（EDR）系統，多個MCU同時收集和控制汽車的電子設備，以獲得更好的駕駛體驗和故障安全數據記錄。醫療系統需要類似的功能來處理生命關鍵型傳感器數據，這些數據要么在本地記錄，要么定期上傳到中央網絡。

所有這些系統都在試圖解決收集數據，存儲數據的關鍵部分以及根據數據分析采取適當行動的基本問題。但是，它們都有不同的優先級。工業系統傾向于在短時間內從各種傳感器捕獲大量數據，并且必須在本地和遠程維護詳細的日志。汽車系統可能以較慢的速度生成數據，但數據保留至關重要，在某些情況下，數據丟失可能會危及生命。由于大多數汽車往往運行超過十年，因此在選擇合適的內存時，存儲的長期可靠性往往是一個關鍵標準。另一方面，便攜式醫療系統在選擇最佳內存技術時傾向于優先考慮功耗。醫療植入物或助聽器經過高度優化，可以精確地存儲數據，同時消耗盡可能低的功率，因為這些系統采用電池供電。設計具有長期可靠性和低功耗的故障安全數據存儲是醫療系統設計人員面臨的關鍵挑戰之一。

隨著物聯網（IoT）的出現，現場的每臺設備都可以開始通過網絡進行通信。保守估計，到2020年，將有超過100億臺設備被連接。這些包括汽車，工業自動化設備，醫療植入物以及可穿戴設備，智能家居等新時代設備。下一代5G網絡已經部署在世界多個地區，預計將處理來自這些設備的大部分流量。但是，數據科學家和系統設計人員今天正試圖解決幾個懸而未決的問題。

哪些設備需要連接到云？

需要廣播多少信息？

本地可以進行多少處理？

誰為云付費？

一種微不足道的方法是將所有內容上傳到云并遠程處理處理。雖然這可能適用于較小和孤立的系統，但一旦世界變得更加互聯，并且有大量系統試圖上傳信息，我們就需要考慮網絡與本地存儲和處理的成本。自動駕駛汽車在駕駛時每小時可以生成幾千兆字節的數據。為了預測未來的需求，現在是時候決定要傳輸哪些內容以及在本地存儲哪些內容以供以后進行壓縮傳輸。工業和醫療系統設計人員也將面臨同樣的問題。工業4.0已經從“將所有內容上傳到云端”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數據存儲與未來的系統相關。

這些系統將需要可靠、低功耗、故障安全的存儲器來存儲關鍵數據。一種方法是使用可用的閃存來記錄數據。閃存技術專為高效的讀取操作而設計，因此在啟動代碼和固件存儲中無處不在。由于閃存已經可用于系統，設計人員可能會很容易地選擇使用閃存進行數據記錄，而無需了解閃存在執行寫入操作時的技術限制。只有當閃存單元事先被擦除時，才能將其“編程”為包含新數據。對單元進行編程允許從邏輯“1”狀態更改為邏輯“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。

為了優化擦除速度和編程時間，Flash 制造商創建了不同的頁面、塊和扇區架構。頁面是可以一次編程到閃存中的最小數據量。閃存設備包含一個內部頁面大小緩沖區，允許臨時存儲數據。從外部接口傳輸完成后，設備將在主陣列中已擦除的頁面上啟動頁面程序操作。如果此頁面包含舊數據，則必須在程序操作之前將其刪除。每次執行擦除時，閃存單元都會變差。這種現象在閃存數據表中被量化為耐久性。通常，最佳閃存器件的耐久循環周期為100，000次擦除程序周期，并且在達到此限制后不再保證可靠地存儲數據。雖然這個數字在紙面上看起來很大，但我們將證明，即使在低端數據記錄系統中，這種器件的耐用性也會很快不足。

一些制造商實現了從緩沖區到閃存的字節編程和延遲編程。雖然這些功能確實簡化了程序中的設備操作，但它們并不能減輕閃存設備對耐用性的潛在技術限制。為了彌補這些限制，系統設計人員被迫實現一個復雜的文件系統來處理Flash單元的磨損均衡（即，在整個單元中均勻地散布磨損）。文件系統的軟件開銷會降低系統速度。

讓我們評估一下設計人員可能考慮使用基于閃存的存儲器進行數據記錄的情況。在工業自動化和資產管理系統中，傳感器節點傾向于每秒多次捕獲數據，定期對幾種不同類型的傳感器進行采樣。然后，節點組裝用于網絡上載的數據包。通常，這些數據包的范圍可以從 16 字節到 128 字節。由于始終存在電源故障的風險，因此這些數據包存儲在非易失性存儲器上以避免數據丟失。振動傳感器或步進電機位置傳感器每隔幾毫秒提供一次短時間的數據，而溫度或濕度等傳感器每秒提供一次數據，但記錄的數據包由來自多個傳感器的數據組成。

下表提供了數據包大小與采樣率的比較分析，以及它如何磨損

閃存（如果用于數據記錄）。此示例使用具有 10^5 個耐久周期的 8MB 閃存。

下圖提供了此數據的解釋。我們觀察到，對于低端系統，每1毫秒記錄8-16字節的數據，8 MB的閃存在不到五年的時間內就會磨損。汽車或工業系統預計將在現場使用十多年。

只需添加更多閃存的低成本、高風險選項需要復雜的文件系統來處理閃存設備中的磨損均衡。如果未實現文件系統，則一旦整個內存滾動，系統就需要處理周期性的芯片擦除周期。隨著數據收集終端的不斷增加，這個問題只會在當今的物聯網世界中加劇。基于閃存的存儲器非常適合啟動代碼和固件存儲，其中寫入周期數在現場產品的整個生命周期內不超過1，000。

解決數據記錄問題的理想方法是使用高耐用性，即時非易失性存儲器，這不會因程序和擦除延遲而使數據面臨風險。鐵電RAM（FRAM）適用于此類應用。FRAM提供10 ^ 14個周期的耐久周期，具有即時非波動性，并且不需要編程和擦除操作。進入設備界面的任何數據都會立即存儲。為了說明這一點，4 Mbit FRAM可以每10us記錄128字節的數據包流，并且不會磨損超過一千年。

FRAM存儲單元僅在寫入或讀取時才消耗功率，因此待機功耗約為幾微安。這使得在使用電池運行的設備中操作FRAM存儲器成為可能。用于采樣心跳的助聽器和高端醫療可穿戴設備是功耗敏感型應用的示例，其中FRAM可以提供所需的低功耗和高耐久性能。在汽車系統中，數據不斷記錄到存儲器中，基于閃存的系統將無法在閃存的“程序”期間捕獲數據。相比之下，基于FRAM的日志記錄為這些系統提供了高可靠性。

FRAM的高耐用性、超低功耗和即時非易失性使其成為互聯世界中關鍵數據記錄的理想替代存儲器。如今，FRAM存儲器可用于汽車和工業等特定市場。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