工業4.0下的非易失性數據記錄

減少停機時間的能力是管理工業設施的重要因素。目前，預測停機時間難度較大且成本非常昂貴。比如，普通汽車製造廠的停機時間可能高達每分鐘22,000美元或每小時130萬美元（來源：先進技術服務，2006年：「汽車行業停機成本：每分鐘22000：調查。」）。

隨著工業4.0的出現，工廠的智能化和互聯性正在日益提高。智能工廠中的機械設備就能夠採用所連接的無線感測器節點的實時數據，提前預測可能發生的故障，並通知控制系統採取糾正措施，以避免意外的系統停機。累積的數據可以用於改進預測分析，並實現更好的機器預防性維護。這些進步旨在提高工廠的運營效率，並縮短整體停機時間。

工業4.0的基礎 —— 可操作數據實現了從實時感測到預測分析等各種功能。因此，持續、可靠地記錄數據至關重要，尤其是在發生故障時，這是因為這些數據通常是關鍵信息。此外，需要記錄的數據量預計將會繼續增加。我們不但需要在傳統工業系統上進行連續數據採集，還需要在數千個連接的感測器節點上進行連續的數據採集，這些感測器節點將遍佈於未來智能工廠的各個角落。

為了克服這些挑戰，下一代工業系統需要高性能非易失性存儲器確保「數據零風險」和正常運行與系統故障期間的可靠數據備份。為了保證這一數據記錄的可靠性，工業4.0非易失性存儲器需要支持快速寫入、實時非易失性以及接近100萬億次循環、近乎無限的讀/寫持久性。

工業數據記錄的挑戰

工業控制系統包括自動化、能源管理、過程測量和測試測量等各個環節，這些環節都需要高性能非易失性數據記錄存儲器。在所有這些細分市場中，非易失性存儲器被用於連續記錄實時系統數據。它們還必須能夠在斷電或系統故障的情況下即時捕捉實時系統狀態數據。工業控制系統和無線感測器節點的非易失性數據記錄存儲器需要滿足不同的需求。我們將通過可編程邏輯控制器和物聯網感測器節點這兩個例子探討工業控制系統和無線感測器節點的挑戰和獨特需求。

圖1：可編程邏輯控制器（PLC）模塊圖

用於工業自動化的可編程邏輯控制器（PLC）在工業控制系統中十分常見。在PLC中，由非易失性數據記錄存儲器捕捉的實時系統數據被用於檢測和修復故障並且防止未來發生故障。此外，非易失性數據記錄存儲器捕捉斷電前的最後系統狀態。該數據對於確保PLC和所有連接的機器在恢復供電時以安全的操作模式重新啟動至關重要。如果不具備這一能力，其他機器和周邊環境中的人員都會面臨潛在風險。

在PLC等下一代工業控制系統中，需要減少用於與外部存儲器連接的微控制器引腳數量。這一需求推動了從並行到低引腳數串列介面存儲器的轉換。這就是為什麼存儲器製造商要為工業應用開發低引腳數存儲器。例如，賽普拉斯的Excelon-Ultra專用於工業控制系統並提供低引腳數108-MHz QSPI介面。

由於去除電池而帶來的高可靠性，非易失性存儲器優於工業控制系統一般使用的電池備份SRAM。此外，非易失性存儲器通過用單個晶元取代多組件子系統（SRAM +電池+電源管理控制器）降低物料成本並且避免產生與更換電池所需的相關成本的維護。

圖2：物聯網感測器節點模塊圖

無線物聯網感測器節點相當於智能工廠的眼睛和耳朵。如上文所述，感測器節點可以連續監測系統和環境參數，然後通知連接的機器或控制系統在需要時採取糾正措施。

無線物聯網感測器節點帶來了與工業控制系統不同的挑戰。感測器節點的外形尺寸很小。此外，它們通常遍佈於智能工廠的各處，包括偏遠或難以進入的位置。因此，它們通常由電池或者通過能量採集供電。

因此，感測器節點需要外形尺寸很小的非易失性存儲器來連續記錄實時系統數據。它們必須能夠在感測器節點的整個生命周期內可靠地完成這一任務，並且儘可能降低功耗。例如，賽普拉斯的Excelon-LP採用約10平方毫米GQFN小型封裝，提供多種省電模式，包括休眠、深度節點和待機，使開發人員可以最大限度地延長電池使用時間。

為了進一步減小無線IoT感測器節點的尺寸，可以使用非易失性存儲器來實現代碼存儲和數據記錄的單晶元方法。在感測器節點中，與存儲數據所需的內存量相比，測量和收集數據所需的代碼大小通常較小。因此，具有單獨的代碼存儲器可能會導致存儲器使用率不足，而單晶元方法會更有效。

關鍵的難點在於，足夠靈活的非易失性數據記錄存儲器以根據應用需求對代碼和數據的存儲進行分區。用於存儲代碼的存儲器必須確保系統不會意外寫入用於執行代碼的存儲區域。因此，為了滿足單晶元工藝的要求，非易失性數據記錄存儲器需要具備存儲器保護功能。例如，塊保護防止意外寫入開發人員定義的一系列地址。這使一個存儲器在存儲和保護代碼的同時支持實時數據記錄。

鐵電體技術

非易失性數據記錄存儲器的關鍵是鐵電技術。鐵電技術將RAM的高性能和位元組定址能力與非易失性數據存儲相結合。用於非易失性存儲器的鐵電技術帶有使用鋯鈦酸鉛（PZT）薄膜的存儲單元。當施加電場時，PZT晶體中的中心原子改變位置。中心原子的兩個位置作為存儲器的二進位狀態存儲一個數位。當電源中斷時，原子位置被保留，從而保護數據。其數據可靠性也很高，無需任何備用電源就能安全保存數據100年之久。

非易失性數據記錄存儲器非常高效。其能耗比串列EEPROM低200倍，比NOR快閃記憶體低3000倍。這項技術還提供高數據可靠性，讀/寫耐久性達100萬億次（1014）。相比之下，快閃記憶體和EEPROM等浮柵技術最短在106個周期內就會損壞，因此它們不適合頻繁的系統數據捕捉。

非易失性數據記錄存儲器還可確保工業系統「數據零風險」運行。即時存儲數據能力可在系統斷電時保護系統不丟失數據。EEPROM等技術通常具有5-10毫秒的頁面寫入延遲，從而使重要的最後時刻系統數據產生風險。

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