減少停機時間的能力是管理工業(yè)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，普通汽車制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(shù)服務，2006年：“汽車行業(yè)停機成本：每分鐘22000：調(diào)查。”）。
隨著工業(yè)4.0的出現(xiàn)，工廠的智能化和互聯(lián)性正在日益提高。智能工廠中的機械設備就能夠采用所連接的無線傳感器節(jié)點的實時數(shù)據(jù)，提前預測可能發(fā)生的故障，并通知控制系統(tǒng)采取糾正措施，以避免意外的系統(tǒng)停機。累積的數(shù)據(jù)可以用于改進預測分析，并實現(xiàn)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，并縮短整體停機時間。
工業(yè)4.0的基礎 —— 可操作數(shù)據(jù)實現(xiàn)了從實時傳感到預測分析等各種功能。因此，持續(xù)、可靠地記錄數(shù)據(jù)至關重要，尤其是在發(fā)生故障時，這是因為這些數(shù)據(jù)通常是關鍵信息。此外，需要記錄的數(shù)據(jù)量預計將會繼續(xù)增加。我們不但需要在傳統(tǒng)工業(yè)系統(tǒng)上進行連續(xù)數(shù)據(jù)采集，還需要在數(shù)千個連接的傳感器節(jié)點上進行連續(xù)的數(shù)據(jù)采集，這些傳感器節(jié)點將遍布于未來智能工廠的各個角落。
為了克服這些挑戰(zhàn)，下一代工業(yè)系統(tǒng)需要高性能非易失性存儲器確保“數(shù)據(jù)零風險”和正常運行與系統(tǒng)故障期間的可靠數(shù)據(jù)備份。為了保證這一數(shù)據(jù)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入、實時非易失性以及接近100萬億次循環(huán)、近乎無限的讀/寫持久性。
工業(yè)數(shù)據(jù)記錄的挑戰(zhàn)
工業(yè)控制系統(tǒng)包括自動化、能源管理、過程測量和測試測量等各個環(huán)節(jié)，這些環(huán)節(jié)都需要高性能非易失性數(shù)據(jù)記錄存儲器。在所有這些細分市場中，非易失性存儲器被用于連續(xù)記錄實時系統(tǒng)數(shù)據(jù)。它們還必須能夠在斷電或系統(tǒng)故障的情況下即時捕捉實時系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)。工業(yè)控制系統(tǒng)和無線傳感器節(jié)點的非易失性數(shù)據(jù)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(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點這兩個例子探討工業(yè)控制系統(tǒng)和無線傳感器節(jié)點的挑戰(zhàn)和獨特需求。
圖1 可編程邏輯控制器（PLC）模塊圖
用于工業(yè)自動化的可編程邏輯控制器（PLC）在工業(yè)控制系統(tǒng)中十分常見。在PLC中，由非易失性數(shù)據(jù)記錄存儲器捕捉的實時系統(tǒng)數(shù)據(jù)被用于檢測和修復故障并且防止未來發(fā)生故障。此外，非易失性數(shù)據(jù)記錄存儲器捕捉斷電前的最后系統(tǒng)狀態(tài)。該數(shù)據(jù)對于確保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(huán)境中的人員都會面臨潛在風險。
在PLC等下一代工業(yè)控制系統(tǒng)中，需要減少用于與外部存儲器連接的微控制器引腳數(shù)量。這一需求推動了從并行到低引腳數(shù)串行接口存儲器的轉(zhuǎn)換。這就是為什么存儲器制造商要為工業(yè)應用開發(fā)低引腳數(shù)存儲器。例如，賽普拉斯的Excelon-Ultra專用于工業(yè)控制系統(tǒng)并提供低引腳數(shù)108-MHz QSPI接口。
由于去除電池而帶來的高可靠性，非易失性存儲器優(yōu)于工業(yè)控制系統(tǒng)一般使用的電池備份SRAM。此外，非易失性存儲器通過用單個芯片取代多組件子系統(tǒng)（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成本的維護。
圖 2 物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點模塊圖
無線物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點相當于智能工廠的眼睛和耳朵。如上文所述，傳感器節(jié)點可以連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)和環(huán)境參數(shù)，然后通知連接的機器或控制系統(tǒng)在需要時采取糾正措施。
無線物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點帶來了與工業(yè)控制系統(tǒng)不同的挑戰(zhàn)。傳感器節(jié)點的外形尺寸很小。此外，它們通常遍布于智能工廠的各處，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采集供電。
因此，傳感器節(jié)點需要外形尺寸很小的非易失性存儲器來連續(xù)記錄實時系統(tǒng)數(shù)據(jù)。它們必須能夠在傳感器節(jié)點的整個生命周期內(nèi)可靠地完成這一任務，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(jié)點和待機，使開發(fā)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傳感器節(jié)點的尺寸，可以使用非易失性存儲器來實現(xiàn)代碼存儲和數(shù)據(jù)記錄的單芯片方法。在傳感器節(jié)點中，與存儲數(shù)據(jù)所需的內(nèi)存量相比，測量和收集數(shù)據(jù)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，而單芯片方法會更有效。
關鍵的難點在于，足夠靈活的非易失性數(shù)據(jù)記錄存儲器以根據(jù)應用需求對代碼和數(shù)據(jù)的存儲進行分區(qū)。用于存儲代碼的存儲器必須確保系統(tǒng)不會意外寫入用于執(zhí)行代碼的存儲區(qū)域。因此，為了滿足單芯片工藝的要求，非易失性數(shù)據(jù)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(fā)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(shù)據(jù)記錄。
鐵電體技術(shù)
非易失性數(shù)據(jù)記錄存儲器的關鍵是鐵電技術(shù)。鐵電技術(shù)將RAM的高性能和字節(jié)尋址能力與非易失性數(shù)據(jù)存儲相結(jié)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制狀態(tài)存儲一個數(shù)位。當電源中斷時，原子位置被保留，從而保護數(shù)據(jù)。其數(shù)據(jù)可靠性也很高，無需任何備用電源就能安全保存數(shù)據(jù)100年之久。
非易失性數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)可靠性，讀/寫耐久性達100萬億次（1014）。相比之下，閃存和EEPROM等浮柵技術(shù)最短在106個周期內(nèi)就會損壞，因此它們不適合頻繁的系統(tǒng)數(shù)據(jù)捕捉。
非易失性數(shù)據(jù)記錄存儲器還可確保工業(yè)系統(tǒng)“數(shù)據(jù)零風險”運行。即時存儲數(shù)據(jù)能力可在系統(tǒng)斷電時保護系統(tǒng)不丟失數(shù)據(jù)。EEPROM等技術(shù)通常具有5-10毫秒的頁面寫入延遲，從而使重要的最后時刻系統(tǒng)數(shù)據(jù)產(chǎn)生風險。