现代数字技术与工业设施的集成正在世界各地迅速发展，但也面临着挑战。与工业 4.0 相关的主要问题之一在于以可靠、无差错的方式以显着更高的量级和吞吐量处理数据的能力。
图1。工业 4.0 结合了大量数据、广泛的流程自动化、强大的人工智能以及改变数据分析的地点，正在改变全球许多行业的经营方式。
工业4.0
工业 4.0 是第四次工业革命普遍采用的标签，包括多个标志，例如过程自动化的发展和广泛采用、广泛的数据收集、机器对机器通信和增强的数据分析。还包括本地化（机器级）人工智能和边缘而非集中位置的决策。
内存：工业 4.0 之路上的障碍
数据是工业 4.0 最关键的方面，因为数据的检索、处理、通信、存储和可用性对于工业 4.0 的实现至关重要。例如，考虑传感器如何生成大量要实时记录和处理的数据。传感器数据通过现代工业控制器和现场设备，与系统中的三种存储器进行交互：闪存、扩展 RAM 和数据记录 RAM。内存是工业 4.0 道路上需要克服的最紧迫的挑战之一。
实际应用内存需求
许多工业系统使用各种外部存储器来实现不同的功能。工厂车间常见的嵌入式系统包括可编程逻辑控制器 (PLC)、伺服电机驱动器、数控机床和工业机器人。这些系统通常包括以下构建块（参见图 2），其中包括应用处理器、多个 I/O 外围设备、有线和无线连接、传感器和换能器以及三种不同类型的存储器。
图 2. 工业系统框图。
PLC 等工业系统使用外部闪存设备，通常具有 256 Mbit 以上的大小来存储启动代码。这些存储器需要支持非常快的读取性能和就地执行 (XiP) 等功能，以便系统可以直接从 NOR 闪存执行代码，而无需将其复制到 RAM 中。
数据记录 RAM 支持以极快的速度写入实时 I/O 和传感器数据，同时仍然能够在断电时立即捕获关键任务数据。大多数工业系统在恶劣环境下运行时，必须在 15 年的使用寿命内持续准确地记录数据。工业 4.0 依靠连续数据来预防故障发生并最大限度地减少系统停机时间，这一过程称为预测性维护。用于此类内存的 RAM 解决方案需要在产品的整个生命周期内可靠、准确地执行数百万次读/写操作。另外，请记住，恶劣的环境包括极端温度，这通常对某些类型的内存来说具有挑战性。
内部处理器（例如微控制器或FPGA）可能没有足够的内部SRAM来执行复杂的算法和临时存储系统运行时数据。现代工业系统使用扩展 RAM 来增强有限的内部 RAM，作为高速暂存存储器来无缝运行用户应用程序。工业机器人或机器视觉系统包括显示器并使用扩展RAM来缓冲用于图形显示的图像帧。它们还需要优化的外部存储器接口 IP 和低引脚数解决方案，以降低设计复杂性并优化系统功耗。
闪存挑战
NOR Flash技术负责存储启动代码和数据。作为工业 4.0 技术的一部分，它必须高度可靠，提供出色的安全性和保障，并满足严格的行业要求。NOR 闪存面临的另一个挑战是如何在许多工业系统常见的极端温度环境下保持功能。
扩展 RAM 挑战
执行 RAM 密集型应用的嵌入式设计需要大量临时存储来进行数据缓冲，并且通常依赖 DRAM 作为扩展存储器。虽然 DRAM 提供可扩展性和高性能，但它们也涉及更高的功耗、增加的设计复杂性并占用更大的 PCB 占地面积。
数据记录 RAM 挑战
图 3 显示了智能制造环境中每秒生成的来自众多传感器、设备和流程的海量数据。因此，数据记录存储器的一个重要方面涉及在断电期间立即捕获和维护数据备份。传统工业自动化系统中最流行的数据记录解决方案是电池供电的 SRAM (BBSRAM)，其中传统的低功耗 SRAM 与电池和附加电源监控电路捆绑在一起，以创建非易失性存储器。
图 3. 必须存储和处理机器和系统传感器生成的大量数据。图片由英飞凌提供
然而，电池维护和更换、电磁设备或宇宙辐射引起的误码以及增加的监控电路带来的设计复杂性等方面存在潜在问题。在设计中使用电池会导致可靠性问题；因此，工程师寻求消除电池处置、增强 RoHS 合规性并减少电池维护。
未来内存趋势
鉴于工业 4.0 和相关内存解决方案的不断发展，一些基于内存的趋势正变得越来越明显。
偏向更高绩效
现代工业系统将需要更高性能且不会造成延迟的随机存取存储器。随着传入数据量的增加，需要更高的随机访问才能获得更好的性能。此外，这些访问必须是瞬时的（以总线速度），并且必须在没有页面访问开销和有限耐用性的情况下实现。
偏向更高密度
随着越来越多的传感器集成到工业系统中，并且更多的远程 I/O 必须与中央控制器连接，生成的数据将会大幅增加。这些数据必须存储在本地以进行处理和预测性维护，以最大限度地减少系统停机时间。随着边缘生成的传感器数据量的增加，将需要更高密度的非易失性存储器来实时记录这些数据。同样，更复杂的工业系统需要更高密度的 NOR 闪存来存储代码和系统数据。
英飞凌目前通过 F-RAM 和 nvSRAM 提供高达 16 Mb 的非易失性 RAM 存储，而 ULP SRAM 则高达 64 Mb。英飞凌独有的 MIRRORBIT 技术使高密度 NOR 闪存每单元的位数增加了一倍。
偏向于更高的可靠性
工业 4.0 需要在极具挑战性的环境条件下稳健运行。需要可靠的数据记录来确保电源故障的无缝恢复并限制工业系统的停机时间。此外，工厂车间运行的电机产生的电磁干扰 (EMI) 可能会影响工业系统中使用的存储器内容。英飞凌的 F-RAM 和 nvSRAM 存储器不受磁场干扰的影响，是业界最可靠的数据记录存储器之一。
随着下一代系统中安全功能的集成，制造商需要代码存储内存中的硬件安全元件，以防范网络威胁并防止篡改。英飞凌最新一代 SEMPER Secure NOR 闪存为安全启动和密钥管理提供了不可变的信任根，以实现从云端到内存的远程固件更新。