面向智能工厂的闪存设计：NAND如何满足边缘处理计算能力和存储挑战？

现代工厂不再是由独立运行的机器组成。物联网(IoT)中的网络、微控制器和传感器技术的采用导致了工业物联网(IIoT)或 "工业4.0"。在这些智能工厂中，机器被联网以实现本地协调、监测和控制。

IIoT可以通过有效利用从机器和传感器收集的数据，彻底改变工厂车间。这些数据在过去可能是可用的，但不容易收集和利用，因为需要整合多种类型的数据，来自各种传感器。现在，嵌入式和网络化的控制器可以读取、处理和共享来自不同接口和不同格式的信息。

精明的工厂能够更有效地利用组织中的资源来提高生产力和盈利能力。通过优化工作和维护计划，可以使用系统各个部分的数据来提高效率。最终，一家工厂每月可以产生数千兆的数据，因此面临的挑战是如何有效地收集，处理和存储此信息。

IIoT系统已利用基于云的计算来实现对数据归档的远程监控和管理，并执行更复杂的分析。随着网络规模和数据量的快速增长，云计算模型正面临一些严峻的挑战。这些包括高延迟和有效利用可用带宽。那么，边缘存储的解决方案是什么呢？

    将计算推向边缘  

边缘计算是一种解决方案。它将计算和存储资源置于IIoT网络的边缘，靠近设备和数据源，从而减少了对云的依赖。

边缘处理器必须具有足够的处理和存储功能，才能执行所需的复杂处理。这些工作负载越来越多地转向机器学习（ML）和人工智能（AI）方法。AI / ML使非常复杂的决策能够自动执行，但是它们需要快速访问非常大的数据集。

边缘节点还充当通往云的网关。一方面，它与“物”网络（机器，操作员，运输，仓储和存储）进行通信，另一方面，它与Internet和云服务进行通信。这意味着它可以管理数据收集，固件更新，活动日志和用户界面。因此，该节点需要为大量数据提供安全可靠的存储。

工业环境中典型的边缘计算节点是采用可编程逻辑控制器（PLC）形式的加固型模块化计算系统。这些具有一些特定的约束，这些约束会影响最佳存储解决方案的选择。它们通常非常紧凑，例如没有企业服务器中的扩展槽。该系统需要能够抵抗冲击和振动，并在−40至+ 85°C的工业温度范围内运行。

    Flash：边缘的理想存储解决方案  

边缘处理需要计算能力和存储能力。为两者找到合适的技术至关重要。固态驱动器（SSD）中使用的NAND闪存非常适合PLC使用。它具有坚固（因为没有活动部件），低功耗和高性能的优点。

除了快速访问和低延迟之外，边缘计算的实时性还需要可预测的性能。Hyperstone闪存控制器的设计和固件可以针对特定用例进行微调，以帮助确保I / O性能和后台任务之间的最佳平衡（图1）。

1.一种典型的嵌入式闪存存储解决方案，实现为DoB。

PLC通常具有有限的空间来容纳其他组件。这意味着并非总是可以添加SSD或内存模块。在这种情况下，闪存和控制器可以集成到主电路板上，Hyperstone的解决方案称其为板载磁盘（DoB）。实施DoB解决方案确实意味着要进行更多的设计工作，但它也提供了更强大的解决方案。将所有东西都放在主板上可以省去电缆和连接器，从而降低了材料清单（BOM）的成本，并消除了由这些连接引起的故障模式（图2）。

2.具有Hyperstone闪存控制器的DoB实现示例。

闪存的使用寿命取决于复杂的算法，以实现损耗均衡和最小化写放大。可以针对特定应用程序的访问模式调整闪存控制器中的固件，以最大程度地提高闪存的使用寿命。

该存储还必须对断电具有鲁棒性，以防止数据损坏或丢失。例如，恢复电源后，系统需要能够重新引导并继续运行。Hyperstone控制器具有多种功能，即使发生意外电源故障，也可以确保数据不会丢失。

能够监视存储系统的性能以在故障导致停机或数据丢失之前及时进行更换也很重要。Hyperstone控制器监视原始错误率和其他参数，以确定闪存的运行状况。

具有Hyperstone控制器的存储模块的用户可以使用hySMART实用程序来监视系统的状态。该工具使用实时运行状况参数（包括ATA标准和Hyperstone特定的SMART数据）来计算使用寿命。然后，通过图形用户界面（GUI）进行显示。清楚地了解操作存储系统是关键，尤其是在智能工厂和工业环境中，意外故障可能会对总体操作产生重大影响（图3）。

3. Hyperstone的hySMART工具使用实时运行状况参数（包括ATA标准和Hyperstone特定的SMART数据）来计算寿命状态。

另外，设计工程师还可以应用Hyperstone用例跟踪器来记录有关应用程序如何使用闪存的详细信息。通过捕获精确的数据模式，数据传输的大小以及写入和读取的数据总量，可以针对其独特的用例优化存储模块的设计。因此，设计人员能够针对特定应用微调最佳闪存配置。如果您是从头开始设计新的存储系统或重新利用现有设计，则可以这样做。它提高了性能并最大化了闪存的寿命。

    边缘计算和闪存存储的未来  

工业边缘计算在本地计算资源中结合了网络IIoT节点和云计算的优势。它支持对资源密集型应用的大规模存储的低延迟访问。它还可以最大限度地减少带宽使用和服务器资源，而这两者都是有限的，并且需要花费资金。

但最终，这一切都取决于快速、可靠的存储。

NAND闪存是工业边缘计算的理想存储介质。许多存储模块都是可能的。例如，实现DoB解决方案有助于最大限度地减少空间要求，并消除连接器作为潜在的故障点。

闪存容量的快速增加和每比特闪存价格的下降，使得NAND闪存成为那些设计存储解决方案的人的一个有吸引力的选择。然而，正是高端闪存控制器的功能使边缘设备的功能不断增加。

闪存控制器是存储解决方案中的重要组件，选择优质的控制器是工业边缘计算中可靠存储的关键因素。为了满足智能工厂的严格要求，控制器必须提供可预测的性能和长寿，同时在工业环境中运行。