減少停機時(shí)間的能力是管理工業(yè)設施的重要因素。目前，預測停機時(shí)間難度較大且成本非常昂貴。比如，普通汽車(chē)制造廠(chǎng)的停機時(shí)間可能高達每分鐘22,000美元或每小時(shí)130萬(wàn)美元（來(lái)源：先進(jìn)技術(shù)服務(wù)，2006年：“汽車(chē)行業(yè)停機成本：每分鐘22000：調查。”）。

 

隨著(zhù)工業(yè)4.0的出現，工廠(chǎng)的智能化和互聯(lián)性正在日益提高。智能工廠(chǎng)中的機械設備就能夠采用所連接的無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)的實(shí)時(shí)數據，提前預測可能發(fā)生的故障，并通知控制系統采取糾正措施，以避免意外的系統停機。累積的數據可以用于改進(jìn)預測分析，并實(shí)現更好的機器預防性維護。這些進(jìn)步旨在提高工廠(chǎng)的運營(yíng)效率，并縮短整體停機時(shí)間。

 

工業(yè)4.0的基礎 —— 可操作數據實(shí)現了從實(shí)時(shí)傳感到預測分析等各種功能。因此，持續、可靠地記錄數據至關(guān)重要，尤其是在發(fā)生故障時(shí)，這是因為這些數據通常是關(guān)鍵信息。此外，需要記錄的數據量預計將會(huì )繼續增加。我們不但需要在傳統工業(yè)系統上進(jìn)行連續數據采集，還需要在數千個(gè)連接的傳感器節點(diǎn)上進(jìn)行連續的數據采集，這些傳感器節點(diǎn)將遍布于未來(lái)智能工廠(chǎng)的各個(gè)角落。

 

為了克服這些挑戰，下一代工業(yè)系統需要高性能非易失性存儲器確保“數據零風(fēng)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(yè)4.0非易失性存儲器需要支持快速寫(xiě)入、實(shí)時(shí)非易失性以及接近100萬(wàn)億次循環(huán)、近乎無(wú)限的讀/寫(xiě)持久性。

 

 

工業(yè)控制系統包括自動(dòng)化、能源管理、過(guò)程測量和測試測量等各個(gè)環(huán)節，這些環(huán)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(chǎng)中，非易失性存儲器被用于連續記錄實(shí)時(shí)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(shí)捕捉實(shí)時(shí)系統狀態(tài)數據。工業(yè)控制系統和無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)的非易失性數據記錄存儲器需要滿(mǎn)足不同的需求。我們將通過(guò)可編程邏輯控制器和物聯(lián)網(wǎng)傳感器節點(diǎn)這兩個(gè)例子探討工業(yè)控制系統和無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)的挑戰和獨特需求。

 

圖1：可編程邏輯控制器（PLC）模塊圖

 

用于工業(yè)自動(dòng)化的可編程邏輯控制器（PLC）在工業(yè)控制系統中十分常見(jiàn)。在PLC中，由非易失性數據記錄存儲器捕捉的實(shí)時(shí)系統數據被用于檢測和修復故障并且防止未來(lái)發(fā)生故障。此外，非易失性數據記錄存儲器捕捉斷電前的最后系統狀態(tài)。該數據對于確保PLC和所有連接的機器在恢復供電時(shí)以安全的操作模式重新啟動(dòng)至關(guān)重要。如果不具備這一能力，其他機器和周邊環(huán)境中的人員都會(huì )面臨潛在風(fēng)險。

 

在PLC等下一代工業(yè)控制系統中，需要減少用于與外部存儲器連接的微控制器引腳數量。這一需求推動(dòng)了從并行到低引腳數串行接口存儲器的轉換。這就是為什么存儲器制造商要為工業(yè)應用開(kāi)發(fā)低引腳數存儲器。例如，賽普拉斯的Excelon-Ultra專(zhuān)用于工業(yè)控制系統并提供低引腳數108-MHz QSPI接口。

 

由于去除電池而帶來(lái)的高可靠性，非易失性存儲器優(yōu)于工業(yè)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(guò)用單個(gè)芯片取代多組件子系統（SRAM +電池+電源管理控制器）降低物料成本并且避免產(chǎn)生與更換電池所需的相關(guān)成本的維護。

 

圖2：物聯(lián)網(wǎng)傳感器節點(diǎn)模塊圖

 

無(wú)線(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)傳感器節點(diǎn)相當于智能工廠(chǎng)的眼睛和耳朵。如上文所述，傳感器節點(diǎn)可以連續監測系統和環(huán)境參數，然后通知連接的機器或控制系統在需要時(shí)采取糾正措施。

 

無(wú)線(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)傳感器節點(diǎn)帶來(lái)了與工業(yè)控制系統不同的挑戰。傳感器節點(diǎn)的外形尺寸很小。此外，它們通常遍布于智能工廠(chǎng)的各處，包括偏遠或難以進(jìn)入的位置。因此，它們通常由電池或者通過(guò)能量采集供電。

 

因此，傳感器節點(diǎn)需要外形尺寸很小的非易失性存儲器來(lái)連續記錄實(shí)時(shí)系統數據。它們必須能夠在傳感器節點(diǎn)的整個(gè)生命周期內可靠地完成這一任務(wù)，并且盡可能降低功耗。例如，賽普拉斯的Excelon-LP采用約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(diǎn)和待機，使開(kāi)發(fā)人員可以最大限度地延長(cháng)電池使用時(shí)間。

 

為了進(jìn)一步減小無(wú)線(xiàn)IoT傳感器節點(diǎn)的尺寸，可以使用非易失性存儲器來(lái)實(shí)現代碼存儲和數據記錄的單芯片方法。在傳感器節點(diǎn)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(huì )導致存儲器使用率不足，而單芯片方法會(huì )更有效。

 

關(guān)鍵的難點(diǎn)在于，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(jìn)行分區。用于存儲代碼的存儲器必須確保系統不會(huì )意外寫(xiě)入用于執行代碼的存儲區域。因此，為了滿(mǎn)足單芯片工藝的要求，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(xiě)入開(kāi)發(fā)人員定義的一系列地址。這使一個(gè)存儲器在存儲和保護代碼的同時(shí)支持實(shí)時(shí)數據記錄。

 

 

非易失性數據記錄存儲器的關(guān)鍵是鐵電技術(shù)。鐵電技術(shù)將RAM的高性能和字節尋址能力與非易失性數據存儲相結合。用于非易失性存儲器的鐵電技術(shù)帶有使用鋯鈦酸鉛（PZT）薄膜的存儲單元。當施加電場(chǎng)時(shí)，PZT晶體中的中心原子改變位置。中心原子的兩個(gè)位置作為存儲器的二進(jìn)制狀態(tài)存儲一個(gè)數位。當電源中斷時(shí)，原子位置被保留，從而保護數據。其數據可靠性也很高，無(wú)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。其能耗比串行EEPROM低200倍，比NOR閃存低3000倍。這項技術(shù)還提供高數據可靠性，讀/寫(xiě)耐久性達100萬(wàn)億次（1014）。相比之下，閃存和EEPROM等浮柵技術(shù)最短在106個(gè)周期內就會(huì )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(yè)系統“數據零風(fēng)險”運行。即時(shí)存儲數據能力可在系統斷電時(shí)保護系統不丟失數據。EEPROM等技術(shù)通常具有5-10毫秒的頁(yè)面寫(xiě)入延遲，從而使重要的最后時(shí)刻系統數據產(chǎn)生風(fēng)險。