非易失性ram（非易失性存储技术）

作者： Vijay Ramakrishnan，赛普拉斯

减少停机时间的能力是管理工业设施的一个重要因素。目前，预测停机时间既困难又昂贵。例如，汽车制造厂的停机时间平均每分钟可能造成22,000 美元或每小时130 万美元的损失。

随着工业4.0的出现，工厂变得越来越智能和互联。智能工厂中的机械设备可以利用连接的无线传感器节点的实时数据，提前预测可能出现的故障，并通知控制系统采取纠正措施，避免系统意外停机。积累的数据可用于改进预测分析并实现更好的机器预防性维护。这些进步旨在提高工厂运营效率并减少总体停机时间。

工业4.0 —— 可操作数据的基础支持从实时传感到预测分析的一切。因此，连续、可靠的数据记录至关重要，尤其是在发生故障时，因为这些数据通常是关键信息。此外，需要记录的数据量预计将继续增加。我们不仅需要对传统工业系统进行持续的数据采集，还需要对数千个连接的传感器节点进行数据采集，这些节点将遍布未来智能工厂的各个角落。

为了克服这些挑战，下一代工业系统需要高性能非易失性存储器，以确保正常操作和系统故障期间的“零数据风险”和可靠的数据备份。为了确保这种数据记录的可靠性，工业4.0非易失性存储器需要支持快速写入、实时非易失性以及近100万亿次循环的近乎无限的读/写耐久性。

工业数据记录的挑战

工业控制系统包括自动化、能源管理、过程测量、测试测量等各个方面，这些都需要高性能的非易失性数据记录存储器。在所有这些细分市场中，非易失性存储器用于连续记录实时系统数据。他们还必须能够在断电或系统故障时立即捕获实时系统状态数据。工业控制系统和无线传感器节点需要非易失性数据记录存储器来满足不同的需求。我们将通过两个例子来探讨工业控制系统和无线传感器节点的挑战和独特需求：可编程逻辑控制器和物联网传感器节点。

图1 可编程逻辑控制器（PLC）模块图

工业自动化中使用的可编程逻辑控制器（PLC）在工业控制系统中非常常见。在PLC 中，非易失性数据记录存储器捕获的实时系统数据用于检测和修复故障并防止未来发生故障。此外，非易失性数据记录存储器可捕获断电前的最后系统状态。这些数据对于确保PLC 和所有连接的机器在电源恢复时以安全操作模式重新启动至关重要。如果没有这种能力，周围环境中的其他机器和人员可能会面临风险。

在PLC 等下一代工业控制系统中，需要减少用于与外部存储器连接的微控制器引脚数量。这种需求推动了从并行到低引脚数串行接口存储器的转变。这就是存储器制造商正在为工业应用开发低引脚数存储器的原因。例如，Cypress 的Excelon-Ultra 专为工业控制系统而设计，并提供低引脚数108 MHz QSPI 接口。

由于消除电池带来的高可靠性，非易失性存储器优于工业控制系统中常用的电池供电的SRAM。此外，非易失性存储器通过用单芯片替换多组件子系统（SRAM + 电池+ 电源管理控制器）来降低物料成本，并避免与更换电池相关的维护成本。

图2 物联网传感器节点模块图

无线物联网传感器节点是智能工厂的眼睛和耳朵。如上所述，传感器节点可以持续监控系统和环境参数，然后通知连接的机器或控制系统在需要时采取纠正措施。

无线物联网传感器节点提出了与工业控制系统不同的挑战。传感器节点的外形尺寸较小。此外，它们通常位于整个智能工厂，包括偏远或难以访问的位置。因此，它们通常由电池或能量收集供电。

因此，传感器节点需要小尺寸的非易失性存储器来连续记录实时系统数据。它们必须能够在传感器节点的整个生命周期内可靠地执行此任务，并消耗尽可能少的功率。例如，Cypress 的Excelon-LP 采用约10mm2 的小型GQFN 封装，并提供多种省电模式，包括休眠、深度节点和待机，使开发人员能够最大限度地延长电池寿命。

为了进一步减小无线物联网传感器节点的尺寸，可以使用非易失性存储器来实现代码存储和数据记录的单芯片方法。在传感器节点中，测量和收集数据所需的代码大小通常比存储数据所需的内存量小。因此，拥有单独的代码存储器可能会导致存储器使用不足，而单芯片方法会更有效。

关键的困难在于使非易失性数据记录存储器足够灵活，以便根据应用需求对代码和数据的存储进行分区。用于存储代码的内存必须确保系统不会意外写入用于执行代码的内存区域。因此，为了满足单片机技术的要求，非易失性数据记录存储器需要具有存储器保护功能。例如，块保护可防止意外写入开发人员定义的地址范围。这使得一个存储器能够支持实时数据记录，同时存储和保护代码。

铁电技术

非易失性数据记录存储器的关键是铁电技术。铁电技术将RAM 的高性能和字节寻址能力与非易失性数据存储相结合。非易失性存储器中使用的铁电技术具有使用锆钛酸铅(PZT) 薄膜的存储单元。当施加电场时，PZT 晶体中的中心原子会改变位置。中心原子的两个位置存储一个数字作为存储器的二进制状态。当电源中断时，原子位置会被保留，从而保护数据。它的数据可靠性也非常高，无需任何后备电源即可安全存储数据100年。

非易失性数据记录存储器非常高效。其能耗比串行EEPROM低200倍，比NOR闪存低3000倍。该技术还提供高数据可靠性，读写次数可达100万亿次（1014次）。相比之下，闪存和EEPROM 等浮栅技术在短短106 个周期内就会失效，因此不适合频繁的系统数据捕获。

非易失性数据记录存储器还确保工业系统的“数据无风险”运行。当系统断电时，立即存储数据的能力可以防止系统数据丢失。 EEPROM 等技术通常具有5-10 毫秒的页面写入延迟，使关键的最后一刻系统数据面临风险。