嵌入式系统设计将如何访问存储设备

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，随着物联网热潮的继续，这些设备将产生一波巨大的数据浪潮，这些数据将需要被引导、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，到2020年，智能手机用户产生的存储工作负载高达每位用户每天30GB，高于2015年的每天不到15GB。

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一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，以减少平均故障间隔时间 （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、依赖于云的应用程序时，存储相对容易解决：只需分配更多 S3 存储桶即可。要是物联网中这么简单就好了。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。地下深处或远在海上的设备可能会长时间断开互联网，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，板载存储更快，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要大，因为更换非常简单。更换位于离地面300米的天线尖端或海上钻机深水下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）方面，还是在设备使用寿命期间可能需要的容量方面。

正确测量耐久性

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

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 的数据量的对比。如果设备接收到大量不会填满内存页的数据写入，则这两个数字可能会有所不同。这会导致分散在许多不同页面上的存储空间，只能通过移动数据来释放这些空间（类似于对硬盘驱动器进行碎片整理）。移动该数据的过程会占用额外的写入操作。

这意味着，如果主机向支持汽车应用程序的存储设备发送50TB的数据，并且设备必须移动大量数据才能有效地填充内存页，从而产生3.0的WAF，则NAND的实际TBW为150TB。显然，这将导致NAND的使用寿命比您期望的WAF为1.0时短得多。在主机端可以做一些事情来解决这个问题，但是如果你计算不正确，在这种情况下，实际使用寿命可能只有1/3，并可能导致系统意外故障。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。

针对 IIoT 设计存储

工业设备有其独特的要求，这些要求将根据具体应用而有所不同。

环境：设备将在什么环境中运行？可能影响存储设备的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的额定值适合运行，或者对于将来可能遇到的环境，该存储经得起未来考验。

耐力：您可以向设备写入多少数据？如上所述，考虑设备的寿命很重要，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、在“边缘”设备附近的现场设备中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。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缺陷？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，以承受各种环境，以及灰尘、污垢、振动和加速。此外，安全问题和法规可能会施加自己独特的要求。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，汽车级存储是必须的。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：汽车器件的设计人员可以使用各种存储接口，包括标清、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，对于不需要超高速读取和写入的应用，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 即将出现，将是支持高性能应用程序的不错选择。

耐力：最后，在汽车中，就像在IIoT中一样，耐用性也很重要。车辆会产生大量数据，这可能导致大量的读取和写入操作。确保正在使用的存储的 TBW 容量适合你正在构建的设备的预期寿命。

元宇宙及其他领域的存储

您可能不认为嵌入式设备在元宇宙中会发挥重要作用，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走动时提供增强现实（AR）体验。这些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：虽然我们仍处于AR和VR设备开发的早期阶段，但有一些一般准则。这些设备中的存储将在很大程度上借鉴智能手机等移动设备的要求。功耗至关重要，因为它会影响电池寿命 - 这是消费者的主要关注点。

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。如果你的眼镜只有12克重，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尺寸会影响其重量，应予以考虑。

无论我们是否都会戴着AR眼镜四处走动，有一件事是明确的：嵌入式计算的行业和用例的范围正在不断扩大。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