現(xiàn)代數(shù)字技術(shù)與工業(yè)設(shè)施的集成正在世界各地迅速發(fā)展，但也面臨著挑戰(zhàn)。與工業(yè) 4.0 相關(guān)的主要問(wèn)題之一在于以可靠、無(wú)差錯(cuò)的方式以顯著更高的量級(jí)和吞吐量處理數(shù)據(jù)的能力。

圖1。工業(yè) 4.0 結(jié)合了大量數(shù)據(jù)、廣泛的流程自動(dòng)化、強(qiáng)大的人工智能以及改變數(shù)據(jù)分析的地點(diǎn)，正在改變?nèi)蛟S多行業(yè)的經(jīng)營(yíng)方式。

工業(yè)4.0 

工業(yè) 4.0 是第四次工業(yè)革命普遍采用的標(biāo)簽，包括多個(gè)標(biāo)志，例如過(guò)程自動(dòng)化的發(fā)展和廣泛采用、廣泛的數(shù)據(jù)收集、機(jī)器對(duì)機(jī)器通信和增強(qiáng)的數(shù)據(jù)分析。還包括本地化（機(jī)器級(jí)）人工智能和邊緣而非集中位置的決策。

內(nèi)存：工業(yè) 4.0 之路上的障礙

數(shù)據(jù)是工業(yè) 4.0 最關(guān)鍵的方面，因?yàn)閿?shù)據(jù)的檢索、處理、通信、存儲(chǔ)和可用性對(duì)于工業(yè) 4.0 的實(shí)現(xiàn)至關(guān)重要。例如，考慮傳感器如何生成大量要實(shí)時(shí)記錄和處理的數(shù)據(jù)。傳感器數(shù)據(jù)通過(guò)現(xiàn)代工業(yè)控制器和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，與系統(tǒng)中的三種存儲(chǔ)器進(jìn)行交互：閃存、擴(kuò)展 RAM 和數(shù)據(jù)記錄 RAM。內(nèi)存是工業(yè) 4.0 道路上需要克服的最緊迫的挑戰(zhàn)之一。 

實(shí)際應(yīng)用內(nèi)存需求

許多工業(yè)系統(tǒng)使用各種外部存儲(chǔ)器來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的功能。工廠車(chē)間常見(jiàn)的嵌入式系統(tǒng)包括可編程邏輯控制器 (PLC)、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、數(shù)控機(jī)床和工業(yè)機(jī)器人。這些系統(tǒng)通常包括以下構(gòu)建塊（參見(jiàn)圖 2），其中包括應(yīng)用處理器、多個(gè) I/O 外圍設(shè)備、有線和無(wú)線連接、傳感器和換能器以及三種不同類(lèi)型的存儲(chǔ)器。 

圖 2. 工業(yè)系統(tǒng)框圖。 

PLC 等工業(yè)系統(tǒng)使用外部閃存設(shè)備，通常具有 256 Mbit 以上的大小來(lái)存儲(chǔ)啟動(dòng)代碼。這些存儲(chǔ)器需要支持非常快的讀取性能和就地執(zhí)行 (XiP) 等功能，以便系統(tǒng)可以直接從 NOR 閃存執(zhí)行代碼，而無(wú)需將其復(fù)制到 RAM 中。 

數(shù)據(jù)記錄 RAM 支持以極快的速度寫(xiě)入實(shí)時(shí) I/O 和傳感器數(shù)據(jù)，同時(shí)仍然能夠在斷電時(shí)立即捕獲關(guān)鍵任務(wù)數(shù)據(jù)。大多數(shù)工業(yè)系統(tǒng)在惡劣環(huán)境下運(yùn)行時(shí)，必須在 15 年的使用壽命內(nèi)持續(xù)準(zhǔn)確地記錄數(shù)據(jù)。工業(yè) 4.0 依靠連續(xù)數(shù)據(jù)來(lái)預(yù)防故障發(fā)生并最大限度地減少系統(tǒng)停機(jī)時(shí)間，這一過(guò)程稱(chēng)為預(yù)測(cè)性維護(hù)。用于此類(lèi)內(nèi)存的 RAM 解決方案需要在產(chǎn)品的整個(gè)生命周期內(nèi)可靠、準(zhǔn)確地執(zhí)行數(shù)百萬(wàn)次讀/寫(xiě)操作。另外，請(qǐng)記住，惡劣的環(huán)境包括極端溫度，這通常對(duì)某些類(lèi)型的內(nèi)存來(lái)說(shuō)具有挑戰(zhàn)性。

內(nèi)部處理器（例如微控制器或FPGA）可能沒(méi)有足夠的內(nèi)部SRAM來(lái)執(zhí)行復(fù)雜的算法和臨時(shí)存儲(chǔ)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)。現(xiàn)代工業(yè)系統(tǒng)使用擴(kuò)展 RAM 來(lái)增強(qiáng)有限的內(nèi)部 RAM，作為??高速暫存存儲(chǔ)器來(lái)無(wú)縫運(yùn)行用戶(hù)應(yīng)用程序。工業(yè)機(jī)器人或機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)包括顯示器并使用擴(kuò)展RAM來(lái)緩沖用于圖形顯示的圖像幀。它們還需要優(yōu)化的外部存儲(chǔ)器接口 IP 和低引腳數(shù)解決方案，以降低設(shè)計(jì)復(fù)雜性并優(yōu)化系統(tǒng)功耗。 

閃存挑戰(zhàn) 

NOR Flash技術(shù)負(fù)責(zé)存儲(chǔ)啟動(dòng)代碼和數(shù)據(jù)。作為工業(yè) 4.0 技術(shù)的一部分，它必須高度可靠，提供出色的安全性和保障，并滿(mǎn)足嚴(yán)格的行業(yè)要求。NOR 閃存面臨的另一個(gè)挑戰(zhàn)是如何在許多工業(yè)系統(tǒng)常見(jiàn)的極端溫度環(huán)境下保持功能。

擴(kuò)展 RAM 挑戰(zhàn)

執(zhí)行 RAM 密集型應(yīng)用的嵌入式設(shè)計(jì)需要大量臨時(shí)存儲(chǔ)來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)緩沖，并且通常依賴(lài) DRAM 作為擴(kuò)展存儲(chǔ)器。雖然 DRAM 提供可擴(kuò)展性和高性能，但它們也涉及更高的功耗、增加的設(shè)計(jì)復(fù)雜性并占用更大的 PCB 占地面積。

數(shù)據(jù)記錄 RAM 挑戰(zhàn)

圖 3 顯示了智能制造環(huán)境中每秒生成的來(lái)自眾多傳感器、設(shè)備和流程的海量數(shù)據(jù)。因此，數(shù)據(jù)記錄存儲(chǔ)器的一個(gè)重要方面涉及在斷電期間立即捕獲和維護(hù)數(shù)據(jù)備份。傳統(tǒng)工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中最流行的數(shù)據(jù)記錄解決方案是電池供電的 SRAM (BBSRAM)，其中傳統(tǒng)的低功耗 SRAM 與電池和附加電源監(jiān)控電路捆綁在一起，以創(chuàng)建非易失性存儲(chǔ)器。 

圖 3. 必須存儲(chǔ)和處理機(jī)器和系統(tǒng)傳感器生成的大量數(shù)據(jù)。圖片由英飛凌提供

然而，電池維護(hù)和更換、電磁設(shè)備或宇宙輻射引起的誤碼以及增加的監(jiān)控電路帶來(lái)的設(shè)計(jì)復(fù)雜性等方面存在潛在問(wèn)題。在設(shè)計(jì)中使用電池會(huì)導(dǎo)致可靠性問(wèn)題；因此，工程師尋求消除電池處置、增強(qiáng) RoHS 合規(guī)性并減少電池維護(hù)。

未來(lái)內(nèi)存趨勢(shì)

鑒于工業(yè) 4.0 和相關(guān)內(nèi)存解決方案的不斷發(fā)展，一些基于內(nèi)存的趨勢(shì)正變得越來(lái)越明顯。

偏向更高績(jī)效

現(xiàn)代工業(yè)系統(tǒng)將需要更高性能且不會(huì)造成延遲的隨機(jī)存取存儲(chǔ)器。隨著傳入數(shù)據(jù)量的增加，需要更高的隨機(jī)訪問(wèn)才能獲得更好的性能。此外，這些訪問(wèn)必須是瞬時(shí)的（以總線速度），并且必須在沒(méi)有頁(yè)面訪問(wèn)開(kāi)銷(xiāo)和有限耐用性的情況下實(shí)現(xiàn)。 

偏向更高密度

隨著越來(lái)越多的傳感器集成到工業(yè)系統(tǒng)中，并且更多的遠(yuǎn)程 I/O 必須與中央控制器連接，生成的數(shù)據(jù)將會(huì)大幅增加。這些數(shù)據(jù)必須存儲(chǔ)在本地以進(jìn)行處理和預(yù)測(cè)性維護(hù)，以最大限度地減少系統(tǒng)停機(jī)時(shí)間。隨著邊緣生成的傳感器數(shù)據(jù)量的增加，將需要更高密度的非易失性存儲(chǔ)器來(lái)實(shí)時(shí)記錄這些數(shù)據(jù)。同樣，更復(fù)雜的工業(yè)系統(tǒng)需要更高密度的 NOR 閃存來(lái)存儲(chǔ)代碼和系統(tǒng)數(shù)據(jù)。 

英飛凌目前通過(guò) F-RAM 和 nvSRAM 提供高達(dá) 16 Mb 的非易失性 RAM 存儲(chǔ)，而 ULP SRAM 則高達(dá) 64 Mb。英飛凌獨(dú)有的 MIRRORBIT 技術(shù)使高密度 NOR 閃存每單元的位數(shù)增加了一倍。

偏向于更高的可靠性

工業(yè) 4.0 需要在極具挑戰(zhàn)性的環(huán)境條件下穩(wěn)健運(yùn)行。需要可靠的數(shù)據(jù)記錄來(lái)確保電源故障的無(wú)縫恢復(fù)并限制工業(yè)系統(tǒng)的停機(jī)時(shí)間。此外，工廠車(chē)間運(yùn)行的電機(jī)產(chǎn)生的電磁干擾 (EMI) 可能會(huì)影響工業(yè)系統(tǒng)中使用的存儲(chǔ)器內(nèi)容。英飛凌的 F-RAM 和 nvSRAM 存儲(chǔ)器不受磁場(chǎng)干擾的影響，是業(yè)界最可靠的數(shù)據(jù)記錄存儲(chǔ)器之一。 

隨著下一代系統(tǒng)中安全功能的集成，制造商需要代碼存儲(chǔ)內(nèi)存中的硬件安全元件，以防范網(wǎng)絡(luò)威脅并防止篡改。英飛凌最新一代 SEMPER Secure NOR 閃存為安全啟動(dòng)和密鑰管理提供了不可變的信任根，以實(shí)現(xiàn)從云端到內(nèi)存的遠(yuǎn)程固件更新。