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。該架構已在與現實世界輸入交互的所有系統中復制。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對生命至關重要的傳感器數據，這些數據要么在本地記錄，要么定期上傳到中央網絡。

所有這些系統都試圖解決收集數據、存儲關鍵部分以及基于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。汽車系統可能會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。由于大多數汽車的使用壽命往往超過十年，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往往會優先考慮功耗。醫療植入物或助聽器經過高度優化，可以準確存儲數據，同時消耗盡可能低的功率，因為這些系統使用電池供電。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，現場的每個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 億臺設備聯網，其中包括汽車、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 網絡已經在部署全球多個地區，預計將處理來自這些設備的大部分流量。但是，今天數據科學家和系統設計人員正試圖解決幾個未解決的問題。

哪些設備需要連接到云端？

需要傳播多少信息？

本地可以做多少處理？

誰為云買單？

一種簡單的方法是將所有內容上傳到云端并遠程處理。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大量系統試圖上傳信息，我們將需要考慮網絡與本地存儲和處理的成本。自動駕駛汽車在行駛時每小時可以產生數 GB 的數據。為了預測未來的需求，現在是決定傳輸什么以及在本地存儲什么以供以后壓縮傳輸的時候了。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“本地處理并智能上傳”的方法。這使得選擇與未來系統相關的最佳本地數據存儲。

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。閃存技術專為高效讀取操作而設計，因此它已普遍用于引導代碼和固件存儲。由于系統已經可以使用閃存，因此設計人員可以輕松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。只有在事先擦除單元時，才能“編程”閃存單元以包含新數據。對單元進行編程允許從邏輯“1”狀態變為邏輯“0”。在下一次更新期間，如果單元需要保持邏輯“1”，則必須首先擦除該單元。

為了優化擦除速度和編程時間，閃存制造商創建了不同的頁面、塊和扇區架構。一頁是可以一次編程到閃存中的最小數據量。閃存設備包含允許臨時存儲數據的內部頁面大小緩沖區。一旦從外部接口完成傳輸，器件就會在主陣列中已擦除的頁面上啟動頁面編程操作。如果該頁包含舊數據，則必須在編程操作之前將其擦除。每次執行擦除時，Flash 單元都會劣化。這種現象在閃存數據表中被量化為耐久性。通常，最好的閃存器件的額定耐久周期為 100，000 次擦除編程周期，并且在達到此限制后不再保證能夠可靠地存儲數據。

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。雖然這些特性確實簡化了器件中的程序操作，但它們并沒有減輕閃存器件對耐用性的底層技術限制。為了彌補這些限制，系統設計人員被迫實施復雜的文件系統來處理閃存單元的磨損均衡（即，將磨損均勻地分布在整個單元中）。文件系統的軟件開銷會減慢系統速度。

讓我們評估設計人員可能會考慮使用基于閃存的存儲器進行數據記錄的場景。在工業自動化和資產管理系統中，傳感器節點往往每秒捕獲數次數據，定期對幾種不同類型的傳感器進行采樣。然后該節點組裝數據包以進行網絡上傳。通常，這些數據包的范圍可以從 16 字節到 128 字節。由于總是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中以避免數據丟失。振動傳感器或步進電機位置傳感器每幾毫秒提供一次短脈沖數據，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及其磨損方式的比較分析

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

下圖提供了對這些數據的解釋。我們觀察到，對于每 1 ms 記錄 8-16 字節數據的低端系統，8 MB 閃存會在五年內耗盡。汽車或工業系統預計將在現場使用十多年。

簡單地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，則系統需要在整個內存翻轉后處理周期性的芯片擦除周期。隨著數據采集終端的不斷增加，這個問題只會在當今的物聯網世界中變得更加嚴重。基于閃存的存儲器非常適合用于引導代碼和固件存儲，在該產品的整個生命周期內，寫入周期數不超過 1，000 次。

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，它不會因編程和擦除延遲而使數據處于危險之中。鐵電 RAM （FRAM） 適合處理這類應用。FRAM 提供 10^14 個周期的耐用周期，具有即時非易失性，并且不需要編程和擦除操作。任何進入設備界面的數據都會立即存儲。為了說明這一點，一個 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會消耗功率，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。助聽器和設計用于采集心跳的高端醫療可穿戴設備是功率敏感型應用的例子，FRAM 可以提供所需的低功耗和高耐用性能。在汽車系統中，數據連續記錄到內存中，基于 Flash 的系統將無法在 Flash 的“編程”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連接世界中關鍵數據記錄的引人注目的替代存儲器。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 Kbits 到 4 Mbits。

審核編輯：郭婷