基于NAND的存储在汽车在其他行业的应用

据 IDC 称，到 2025 年，物联网设备将产生超过 73 泽字节 （ZB） 的数据。

换句话说，随着物联网繁荣的继续，这些设备将产生大量需要引导、处理和存储的数据浪潮。

这个问题不限于任何一个行业。根据研究公司 Yole Développement 的数据，汽车制造商在 2021 年安装了 40 亿 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。同时，西部数据估计智能手机用户产生了2020 年每位用户每天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。

来自 Yole Developpement NAND Market Monitor 2021 年第四季度的数据。

规划嵌入式存储

一个简单的事实是，现代、永远在线、完全数字化的世界依赖于大量数据。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一开始就考虑存储需求，无论其行业如何。

这也不仅仅是数量的问题——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故障间隔时间 （MTBF）。可靠性的一部分与耐用性有关，它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性和容量需求。

让我们从连接性开始。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。确实，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，并且在许多应用程序中，网络连接不是给定的。地下深处或远海的设备可能会长时间与互联网断开连接，从而无法访问云存储。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，板载存储速度更快、更可靠。

对于嵌入式设备而言，其耐用性比位于数据中心的个人移动设备或系统更大，因为后者的更换很简单。更换位于地面以上 300 米的天线尖端的设备中的存储单元，或者在海上钻井平台的水下深处，要更换存储单元要困难得多。因此，设计人员将希望选择能够持续很长时间的存储设备，包括耐用性（许多读/写周期）和设备生命周期内可能需要的容量。

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来衡量的，以 TB 为单位。TB 写入 （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来估计数据写入要求。

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 的数据量之比。如果设备接收到大量未填满内存页面的数据写入，这两个数字可能会有所不同。这导致空的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（类似于对硬盘进行碎片整理）。移动该数据的过程会消耗额外的写入。

这意味着如果主机将 50TB 的数据发送到支持汽车应用程序的存储设备，并且设备必须移动大量数据以有效地填充内存页面，导致 WAF 为 3.0，实际NAND 的 TBW 为 150TB。显然，这将导致 NAND 的使用寿命比您预期 WAF 为 1.0 时要短得多。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它的1/3，并且可能导致系统意外故障。这只是系统设计人员需要了解汽车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

工业设备有自己的一套独特要求，这些要求会因具体应用而异。

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高度、温度、湿度和振动。高压和加速度也可能发挥作用。确保您使用的存储在其预期环境中运行 - 或在未来可能遇到的环境中进行验证。

耐力：您可以向设备写入多少数据？如上所述，设备的使用寿命很重要——但写入频率也很重要。新的工作负载通常需要能够支持长时间连续读写操作的存储。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？数据是否会在端点、“边缘”设备附近的现场设备或云端进行处理和分析？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您的组织（或行业）的数据保留策略尽可能长时间地保留数据。

远程监控： IIoT 设备并不总是很容易访问。您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它们？监控和预测性维护已经是生产设备的常见考虑因素——它们对于 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，以适应各种环境，除了灰尘、污垢、振动和加速。此外，安全问题和法规可能会提出自己独特的要求。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，必须使用汽车级存储。这些设备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，以确保它们不易发生故障。

接口：汽车设备的设计人员可以使用多种存储接口，包括 SD、e.MMC、UFS 和 PCIe。您使用哪一个将取决于所使用的 SoC。但性能要求也会影响这种选择。

例如，对于不需要超高速读写的应用程序，e.MMC 将是一个不错的选择，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 是性能的下一步，并且越来越受欢迎。PCIe 即将问世，将成为支持高性能应用的不错选择。

耐力：最后，在汽车领域，就像在工业物联网中一样，耐力很重要。车辆会产生大量数据，这会导致大量的读写操作。确保您使用的存储的 TBW 容量适合您正在构建的设备的预期寿命。

元界及其他领域的存储

您可能不会认为嵌入式设备会在虚拟世界中扮演重要角色，但它们确实如此——从用于真正身临其境的虚拟现实 （VR） 体验的 3D 耳机到提供增强现实 （AR） 体验的更便携的眼镜。用户在现实世界中四处走动。此类设备使用嵌入式存储，这带来了自己的一系列考虑。

功耗：虽然我们仍处于 AR 和 VR 设备开发的早期阶段，但有一些通用指南。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。

体重：体重在 AR 中可能变得异常重要。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，那么即使添加 1 或 2 克也会有明显差异。存储设备的外形尺寸和尺寸会影响其重量，应予以考虑。

不管我们是否都会带着 AR 眼镜四处走动，有一点很清楚：嵌入式计算的行业范围和用例正在继续扩大。这意味着数据量将继续增加，随之而来的是对更多存储的需求——以及比以往更快、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