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2019全景工博會 2019工博會專題回顧
工業無線

未來物聯網系統中的無故障數據存儲

  2018年08月28日  

  幾十年來,遠程控制節點的基本架構都是由控制器、傳感器、本地存儲器、網絡連接接口和電池組成。這一架構廣泛應用于實際操作所控制的系統中。在工業自動化系統中,控制器以不同速率監控多個傳感器,將已標記時間的傳感器數據保存在本地或擴展存儲器內,然后通過ProfiBus等工業標準總線傳輸數據。在高級駕駛輔助系統(ADAS)或車輛事件記錄器(EDR)中,多個MCU能夠同時采集、控制汽車電子系統的數據,從而提供優質的駕駛體驗與無故障的數據保障。醫療系統也有類似的應用:通過傳感器獲得的關鍵患者數據,將被存儲在本地,或者定期上傳進行集中存儲。

  這些系統都在試圖解決數據采集、關鍵數據存儲以及基于數據分析采取相應行動過程中的核心和基礎問題。但是,不同系統解決問題的側重點也有所不同。工業系統傾向于在很短的時間間隔內,從眾多不同的傳感器中采集海量數據,同時必須在本地和遠程留存詳細的日志記錄。汽車系統數據生成速率較低,但數據重要性高。在某些情況下,數據的丟失或將會威脅駕乘人員的生命安全。大多數汽車的使用壽命都超過十年,因此在選擇存儲器時,其使用壽命與可靠性便成為了十分重要的考量標準。便攜式醫療系統在選擇理想的數據存儲時,則注重功耗的表現。由于植入式醫療器械、助聽器等設備都是由電池進行驅動,因此它們更傾向于選擇能耗低同時數據存儲精確度高的存儲器。兼具長期可靠性和低能耗的無故障數據存儲,往往成為系統設計師選擇存儲產品的重大挑戰。

  隨著物聯網的逐步興起,所有設備都開始通過網絡實現互聯。保守估計,2020年將有100億臺設備實現聯網,其中包括汽車、工業自動化設備、植入式醫療器械、可穿戴設備和智能家居等新一代產品。下一代5G網絡已經開始在某些地區部署并有望承擔上述設備產生的大部分流量。但是,數據科學家和系統設計師仍有幾個尚未解決的問題:

  哪些設備需要與云連接?需要傳播多少信息?有多少信息能在本地處理?誰來支付云的費用?

  一個方案是把所有信息都上傳到云,遠程對信息進行處理。但這一方案只適用于規模小而分散的系統。隨著世界互聯的程度不斷提高,將會有大量甚至過剩的系統進行信息的上傳,在這樣的情況下我們需要考慮網絡和本地兩種存儲和處理的成本差異。在行駛過程中,一輛自動駕駛汽車每小時將會生成數G的數據。因此為了預測未來的需求,我們現在必須決定哪些信息需要實時傳送、哪些可以在本地存儲,從而日后再進行壓縮傳送。工業和醫療領域的系統設計師面臨著同樣的問題。在“工業4.0”的進程中,“上傳所有數據到云”的方式正在逐步轉變成為“本地處理,智能上傳”的方式。因此,如何選擇最好的本地數據存儲對未來的系統發展極為重要。

  為了保存重要數據,這些系統均需要高可靠、低能耗、高安全性的存儲器。一個方法是使用現有的閃存來記錄數據。閃存技術具有高效讀取的能力,因此已經被廣泛用于啟動代碼和固件的存儲。對于現有系統的設備,在執行寫入操作時,設計師無需了解閃存的技術限制,即可使用閃存來記錄數據。閃存單元只有在事先已被擦除的情況下才能存儲新數據。對閃存單元進行編程時,可將邏輯值由“1”變為“0”。在下一次升級中,如果存儲單元需要保持邏輯值“1”,就需要擦除數據。為了加快擦除速度、縮短程序時間,閃存制造商設計了各種頁、塊和扇區架構。頁是能夠一次編程寫入閃存的最小數據存儲單位。閃存設備設有內部的頁容量緩沖區,用于臨時數據存儲。當外部接口的數據傳輸完成時,設備將立即對主陣列中被擦除的頁執行頁程序。如果該頁包含舊數據,則必須在程序啟動前予以擦除。每次執行擦除時,閃存單元都會退化。這一現象通常作為在閃存的耐久性指標進行量化記錄。耐久性最好的閃存設備一般可以承受10萬次的擦除程序循環,在達到這一限值后將無法保證存儲的穩定性。盡管這一數字看起來很巨大,但這一數字甚至連低端的數據記錄系統的需求都很難滿足。

  某些制造商則采用字節編程,并且把編程由緩沖區推到閃存進行。盡管這一設計可以簡化設備內的程序運行,但卻不能使閃存擺脫潛在的耐久性限制。為了抵消上述限制,系統設計師被迫采用一種復雜的文件系統來保證閃存單元的耗損均衡(wear levelling)。文件系統的軟件會減緩系統的運行速度。

  設想一種情況,設計師考慮使用一種基于閃存的存儲器來記錄數據。在工業自動化和資產管理系統中,傳感器節點會以每秒數次的速度抓取數據,并定期對各種傳感器進行取樣,然后整理數據包上傳網絡。一般來說,數據包的取樣數從16字節到128字節不等。由于停電的風險不可能完全避免,為了防止數據丟失,設計師使用非易失性存儲器來存儲數據。振動傳感器或步進電機位置傳感器每幾毫秒都會發送脈沖式數據,而溫度或濕度傳感器則每隔幾秒才發送一次數據,數據包則存儲眾多傳感器的數據。

  下表為數據包容量與取樣率的比較分析,以及數據記錄時耗損閃存的規律。分析使用了10萬次耐久循環的8兆閃存

   以下圖表對這一數據進行了明確解讀。我們發現,對于每1毫秒記錄8-16字節數據的低端系統,8兆閃存會在5年內損耗。但是,汽車或工業系統的損耗期限應當超過10年。

  如果采用簡單增加閃存這種低成本、高風險的的方式,則需要復雜的文件系統對損耗均衡進行管理。如果沒有部署文件系統,系統則需要在替換整個存儲器之后,定期執行芯片擦除循環。在今天的物聯網世界中,隨著數據采集終端的持續激增,這一問題正在不斷惡化。對于存儲產品壽命期內寫入循環次數不超過1000次的啟動代碼和固件程序來說,基于閃存的存儲器是非常合適的。解決這種數據記錄問題的一個理想方法是:使用高耐久性和非易失性的存儲器,它們不會由于程序和擦除的延遲而造成數據風險。F-RAM具備承受高達1014次擦除循環的耐久性,具備瞬間非易失性,且無需編程和擦除操作,實時存儲進入設備接口的所有數據。例如,一個4兆的 F-RAM存儲能夠在每10微秒處理128字節的數據流,在1000多年的時間內都不會損耗完畢。

  F-RAM存儲器單元只有在寫入或讀取時才會耗電,待機能耗只有幾微安培,因此F-RAM是那些依仗電池驅動產品的最佳解決方案。F-RAM適用于對能耗要求較高的助聽器和用于心率采樣的高端可穿戴醫療設備。此外,汽車系統中的數據會持續不斷地了錄入存儲器,基于閃存的系統無法在閃存“編程”期間抓取數據。只有基于F-RAM的數據存儲,可以為該系統提供高可靠性。

  具備近乎無限的耐久性、超低功耗和瞬間非易失性的F-RAM非常適合用于互聯世界中的重要數據存儲。了解關于F-RAM技術和賽普拉斯半導體有限公司的F-RAM解決方案,請登錄www.cypress.com/fram

(作者:Nilesh Badodekar,賽普拉斯)

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