物联网时代的闪存

物联网不仅仅是一个时髦的词。这种特殊的技术已经渗透到我们生活的几乎每一个领域，改变了我们的生活和互动方式，不仅改变了我们与他人的关系，也改变了我们与周围一切的关系。

曾经孤立的独立物体现在越来越多地在这个庞大的数字迷宫中相互连接。研究估计，在不到2年的时间内，数十亿个对象将相互连接。

物联网的推动者

这些重要的组件使物联网成为可能，允许对象通过使用各种无线和/或有线技术的网络相互连接。

图1.传感器、处理器和执行器允许物联网设备收集、处理和响应数据。

常见的传感器包括那些“感知”或检测温度、表现/接近、压力、声音、水质、湿度、化学品、气体和烟雾的传感器。来自传感器的数据然后通过有线/无线网络或网关发送到处理器或数据中心进行分析和处理。处理器分析数据，然后向执行器发送命令。执行器接收来自处理器的命令，并将数据转换为有用的输出。

物联网和工业物联网

物联网已经越来越多地影响到几乎所有的事情，从普通的日常活动到各种规模商业活动和企业。一切都会受到物联网的影响。物联网技术在制造业和其他行业中的应用被称为工业物联网或工业4.0。它涉及到使用智能机器、传感器、大数据技术和机器对机器（M2M）通信来收集、分析和中继能够检测效率低下的数据，以及处理或产品缺陷的数据，以改进生产方法，节省企业时间和金钱。

尽管物联网和物联网通常是建立在人-物和物-物相互作用的基础上的，但两者的需求差别很大。IIoT装置通常部署在恶劣的环境中，温度和环境的挑战范围各不相同。此外，跨越不同工作负载场景的各种用例意味着IIoT解决方案必须适用于特定的应用程序，因为“一种规模并不适合所有的”，更快或更大并不总是更好。

在云端还是在边缘？

从自动驾驶汽车到石油钻塔、飞机、工厂机器人和医疗设备，IIoT用实例生成稳定的数据流。资产跟踪和监测、制造自动化、预测性维护、道路安全、智能住宅/建筑物和医疗保健等都是采集、存储、处理和传输数据的无数应用程序之一。

收集、分析和检索的数据通常是至关重要的，甚至可能比存储数据的设备更有价值。数据损坏或丢失，以及错误的分析和不可访问性，都可能扰乱业务，造成灾难性的后果。因此，至关重要的是，IIoT存储解决方案必须绝对可靠、持久和安全。

几年前，人们普遍认为所有的事情都会走向云端。然而，今天，这场革命正在发生，不是在云端，而是在边缘。

云存储，简单来说，是指通过互联网而不是计算机上的存储设备来存储和访问数据。云提供了许多优势，比如能够从任何位置的任何设备中检索文件，并提供可用的Internet连接。多个用户还可以同时访问相同的文件，只要他们有必要的密钥。 

然而，如果一个IIoT应用程序能够在一个小时内生成数百兆字节和几兆字节的数据，那么它就不可能在互联网上实时传输如此大量的数据。它不仅昂贵，而且可能导致网络拥塞，并由于带宽问题而使连接变慢。一些关键的应用程序需要实时处理和检索，而依赖网络或因特网可能造成延误，使数据变得无关紧要，甚至对生命或财产造成不必要的风险。

由于需要更快、实时的处理，特别是对于许多IIoT应用程序，边缘计算已经成为一种更可行的选择。简而言之，边缘计算是将关键数据存储、分析和处理在或靠近数据源的地方，而不是集中式或基于云的位置。边缘计算减轻了网络负载，降低了传输成本，优化了数据收集的即时洞察或快速响应。

考虑到它们的优缺点，下表分别显示了云和边缘存储的典型用例：

表1.云存储和边缘存储的典型用例

对物联网/工业物联网的闪存挑战

闪存设备用于云计算和边缘计算，行业通常使用这两种存储解决方案的组合。根据所收集、分析和处理的数据的类型以及所需分析的即时性，系统必须进行设计，以便做出明智的反应，无论是以最快的速度传送数据，还是分析大量的历史数据。

• 频繁写入：对耐用性的影响
  物联网/工业物联网生成的数据大致分为两类。视频和图像等大型文件通常是按顺序访问的；这意味着，这些文件从一开始就按照存储的顺序依次读取。小型文件（通常以字节为单位，只有不到1页大小），例如从传感器或记录器捕获的日志文件可能非常多，通常是随机读取/写入的，或者没有特定的顺序。
  
  考虑到闪存的特性，需要在页面级对数据进行编程或写入，在块级进行删除，频繁地随机写入小数据文件会导致高写放大。由于闪存可以被写入有限的次数，频繁的写操作可以更快地降低耐用性。

ATP的解决方案
为了防止快速下降的快闪记忆体耐用性所造成的频繁、小文件写入应用，ATP电子闪存产品使用先进的写入磨损水平，从而均衡了所有块的擦除次数，有效地“磨损水平”的整个闪存设备，延长寿命。ATP SD生命监视器/ S.M.A.R.T.提供了用于提供早期预警的工具，以防止数据磨损和备用块耗尽。使用友好的界面来监控各种驱动器可靠性指标和其他属性，用户可以提前计划并在闪存设备磨损之前更换它，从而节省数据和宝贵的资金资源。

图2.ATP高级磨损均衡管理跨块读写，以优化闪存产品的整体寿命预期

• 经常和很少读入：读入干扰和数据保留问题
  在频繁或连续读取（如操作系统）和长期数据保留（如应用程序）的条件下，IoT/IIoT存储通常预加载需要高可靠性的数据。
  
  一个内存块包含经常读取但未被复盖、移动或删除的数据，可能会导致同一块中未读单元的阈值电压向不同的逻辑状态移动。这种现象被称为“读入干扰错误”，会影响周围很少被访问的内存单元，如果错误超过纠错码（ECC）阈值，可能会导致数据丢失。
  
  较宽温度范围内的恒定操作会影响存储单元保持电荷的能力，导致数据保留问题，从而影响存储数据的完整性和应用程序的操作。

ATP的解决方案
为了解决读取干扰和数据保留问题，ATP闪存产品具有先进的NAND闪存控制器机制，如自动更新和动态数据刷新。闪存控制器计算上次擦除后对某个块的读取次数。如果内存单元已经读取了一定次数，读计数已经达到预定义的阈值（可由ECC纠正的最大错误数），ATP自动重新将数据备份到新的块，以防止数据丢失和损坏。对于很少访问的区域，ATP动态数据刷新在后台自动运行，顺序扫描用户区域标志记录，而不影响读/写操作，以减少读取干扰的风险并保持数据的完整性。

图3.在数据块中的错误位达到或超过预设的阈值之前，ATP自动重新将数据移动到一个健康的块。这可以防止控制器读取错误位太多的块，从而避免读取干扰和数据损坏。

• 极端温度和恶劣的操作环境：可靠性和耐久性问题​
  工业应用中的物联网硬件通常在恶劣的条件下运行，包括但不限于极端的温度、湿度、压力、振动、冲击、环境辐射、灰尘、沙子、供电不稳定以及所有这些条件下的长期可靠性都是非常关键的。

ATP的解决方案
为了确保在恶劣的操作条件下扩展可靠性，ATP进行全面、深入的测试，从NAND集成电路级到大批量生产级。严格的电力循环测试确保数据在现实世界的供电条件下的完整性。工业温度等级的NAND闪存产品在宽的温度范围内进行测试，从-40°C至85°C，以确保它们能在极端温度下可靠地承受和工作。选择闪存产品具有温度传感器和动态热调节机制，以保持冷却运行，而性能没有剧烈下降。

结论

对于云端或边缘的数据，ATP提供了工业级闪存存储解决方案，可满足IoT / IIoT的严格耐用性，保留性和可靠性要求。 作为英特尔物联网解决方案联盟的成员，ATP是合格的IoT / IIoT硬件制造商，其提供旨在满足互联世界不断增长的需求和挑战的内存和存储解决方案。更多信息，请访问ATP网站或联系ATP代表/经销商。