适用于物联网应用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。此体系结构已复制到与实际输入交互的所有系统中。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生命关键型传感器数据，这些数据要么在本地记录，要么定期上传到中央网络。

所有这些系统都在试图解决收集数据，存储数据的关键部分以及根据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。由于大多数汽车往往运行超过十年，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倾向于优先考虑功耗。医疗植入物或助听器经过高度优化，可以精确地存储数据，同时消耗尽可能低的功率，因为这些系统采用电池供电。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，现场的每台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100亿台设备被连接。这些包括汽车，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网络已经部署在世界多个地区，预计将处理来自这些设备的大部分流量。但是，数据科学家和系统设计人员今天正试图解决几个悬而未决的问题。

哪些设备需要连接到云？

需要广播多少信息？

本地可以进行多少处理？

谁为云付费？

一种微不足道的方法是将所有内容上传到云并远程处理处理。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，并且有大量系统试图上传信息，我们就需要考虑网络与本地存储和处理的成本。自动驾驶汽车在驾驶时每小时可以生成几千兆字节的数据。为了预测未来的需求，现在是时候决定要传输哪些内容以及在本地存储哪些内容以供以后进行压缩传输。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“本地流程并智能上传”的方法。这使得选择最佳的本地数据存储与未来的系统相关。

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。闪存技术专为高效的读取操作而设计，因此在启动代码和固件存储中无处不在。由于闪存已经可用于系统，设计人员可能会很容易地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。只有当闪存单元事先被擦除时，才能将其“编程”为包含新数据。对单元进行编程允许从逻辑“1”状态更改为逻辑“0”。在下一次更新期间，如果单元格需要保存逻辑“1”，则必须首先擦除单元格。

为了优化擦除速度和编程时间，Flash 制造商创建了不同的页面、块和扇区架构。页面是可以一次编程到闪存中的最小数据量。闪存设备包含一个内部页面大小缓冲区，允许临时存储数据。从外部接口传输完成后，设备将在主阵列中已擦除的页面上启动页面程序操作。如果此页面包含旧数据，则必须在程序操作之前将其删除。每次执行擦除时，闪存单元都会变差。这种现象在闪存数据表中被量化为耐久性。通常，最佳闪存器件的耐久循环周期为100，000次擦除程序周期，并且在达到此限制后不再保证可靠地存储数据。虽然这个数字在纸面上看起来很大，但我们将证明，即使在低端数据记录系统中，这种器件的耐用性也会很快不足。

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。虽然这些功能确实简化了程序中的设备操作，但它们并不能减轻闪存设备对耐用性的潜在技术限制。为了弥补这些限制，系统设计人员被迫实现一个复杂的文件系统来处理Flash单元的磨损均衡（即，在整个单元中均匀地散布磨损）。文件系统的软件开销会降低系统速度。

让我们评估一下设计人员可能考虑使用基于闪存的存储器进行数据记录的情况。在工业自动化和资产管理系统中，传感器节点倾向于每秒多次捕获数据，定期对几种不同类型的传感器进行采样。然后，节点组装用于网络上载的数据包。通常，这些数据包的范围可以从 16 字节到 128 字节。由于始终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上以避免数据丢失。振动传感器或步进电机位置传感器每隔几毫秒提供一次短时间的数据，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的比较分析，以及它如何磨损

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

下图提供了此数据的解释。我们观察到，对于低端系统，每1毫秒记录8-16字节的数据，8 MB的闪存在不到五年的时间内就会磨损。汽车或工业系统预计将在现场使用十多年。

只需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，则一旦整个内存滚动，系统就需要处理周期性的芯片擦除周期。随着数据收集终端的不断增加，这个问题只会在当今的物联网世界中加剧。基于闪存的存储器非常适合启动代码和固件存储，其中写入周期数在现场产品的整个生命周期内不超过1，000。

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，这不会因程序和擦除延迟而使数据面临风险。铁电RAM（FRAM）适用于此类应用。FRAM提供10 ^ 14个周期的耐久周期，具有即时非波动性，并且不需要编程和擦除操作。进入设备界面的任何数据都会立即存储。为了说明这一点，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。用于采样心跳的助听器和高端医疗可穿戴设备是功耗敏感型应用的示例，其中FRAM可以提供所需的低功耗和高耐久性能。在汽车系统中，数据不断记录到存储器中，基于闪存的系统将无法在闪存的“程序”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互联世界中关键数据记录的理想替代存储器。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 Kb 到 4 Mb。

审核编辑：郭婷