隨著數(shù)字技術越來越多地用于系統(tǒng)之間的自動化和通信，制造和生產正在發(fā)生革命性的變化。訪問實時數(shù)據(jù)可以更有效地利用資源和先發(fā)制人的維護，從而最大限度地減少停機時間并最大限度地延長設備的使用壽命。

在引入蒸汽機、電氣化和計算之后，連接、大數(shù)據(jù)分析和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) （IIoT） 的應用通常被稱為第四次工業(yè)革命或工業(yè) 4.0。

工業(yè)應用中連接設備數(shù)量的增長需要高度可靠的通信產品來集成公共和專用網(wǎng)絡。這反過來又導致對工業(yè)存儲的需求不斷增加，特別是當它應用于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關時。

工業(yè) 4.0 中的互聯(lián)系統(tǒng)

5G市場的增長

到 2023 年，在越來越多的應用中，機器對機器 （M2M） 連接可能超過 40 億個。這包括車輛導航系統(tǒng)、物流資產跟蹤、實時監(jiān)測患者生命體征的可穿戴醫(yī)療組件以及工業(yè)制造。

預計越來越多的通信基礎設施將轉向“獨立”的5G網(wǎng)絡;也就是說，他們不會依賴現(xiàn)有的4G / LTE基礎設施。因此，未來的投資可能集中在5G新無線電（NR）基礎設施上，而不是傳統(tǒng)系統(tǒng)上。

這將使5G的增強功能和新功能更廣泛地可用：更高的數(shù)據(jù)速率，非常低的延遲，改進的同步性和更高的可靠性。工業(yè)系統(tǒng)的開發(fā)人員希望利用這些功能來實現(xiàn)創(chuàng)新的新應用。

在工業(yè) 4.0 中使用 5G 連接

通往 5G 的門戶

為了在工業(yè)環(huán)境中獲得5G的優(yōu)勢，必須在構成工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和5G網(wǎng)絡的許多不同的內部設備之間有一個接口。該網(wǎng)關必須將5G性能傳遞到工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡。

在工業(yè)環(huán)境中，5G 網(wǎng)關聚合了工廠中許多不同的連接設備（如傳感器、執(zhí)行器和自動化機械）使用的各種協(xié)議。它將數(shù)據(jù)封裝成適合通過5G無線電接口傳輸?shù)母袷剑?G網(wǎng)絡接收的數(shù)據(jù)執(zhí)行相反的過程。

在工業(yè) 4.0 系統(tǒng)中使用 5G 網(wǎng)關

網(wǎng)關軟件要求

5G 網(wǎng)關需要運行大型、復雜的軟件。代碼庫將包括操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡層和連接到舊設備所需的協(xié)議。這意味著數(shù)百萬行代碼和數(shù)十 GB 的持久存儲。這種存儲要求只能使用NAND閃存來滿足，NAND閃存有自己的系統(tǒng)級要求。

為了提供這些工業(yè)應用所需的性能水平，網(wǎng)關需要滿足與5G網(wǎng)絡本身相同的服務水平規(guī)范（SLS）。這意味著網(wǎng)關必須匹配或超過蜂窩網(wǎng)絡的能力，同時還要滿足互聯(lián)工業(yè)系統(tǒng)的要求。它們還必須在苛刻的環(huán)境條件下運行，可能是在戶外，并且通常具有極端溫度。

因此，系統(tǒng)中的每個組件都必須選擇或設計為滿足可靠性和使用壽命要求。這包括機電組件、電源、半導體組件，尤其是關鍵任務代碼和數(shù)據(jù)的非易失性存儲。

指定使用針對系統(tǒng)任務配置文件優(yōu)化的閃存控制器的安全可靠的存儲對于實現(xiàn)指定的性能和使用壽命非常重要。存儲系統(tǒng)必須使網(wǎng)關滿足與 5G 網(wǎng)絡本身相同的性能標準。

運行壽命要求

許多行業(yè)的系統(tǒng)更換率以幾十年為單位。計劃外停機的成本可能很高，因此現(xiàn)在安裝的網(wǎng)關必須繼續(xù)運行并提供相同的服務質量和可靠性多年。

半導體制造商使用設計規(guī)則、功耗分析、仿真和加速壽命測試來量化設備的行為以及環(huán)境因素將如何影響設備。這使制造商能夠在給定條件下準確指定使用壽命。

一些設備是為消費者使用而設計和表征的。預計它們每天只能活躍幾個小時，壽命為在正常室溫下運行 5 年。這與指定在更廣泛的環(huán)境條件下每周 7 天、每天 24 小時運行至少十年的工業(yè)組件非常不同：工業(yè)半導體通常具有 -40 至 85°C 的工作溫度范圍。

熱管理的重要性

溫度是必須考慮的關鍵設計問題之一。它會影響芯片中晶體管的許多工作參數(shù)，包括漏電流。隨著環(huán)境溫度從50°C增加到100°C，NMOS晶體管的漏電流通常會增加十倍。 這一點很重要，因為隨著漏電流的增加，功耗也會增加。因此，有效的熱管理至關重要。

高溫也會對設備的使用壽命產生重大負面影響。在NAND閃存的情況下，高溫和溫度變化都會給單元帶來壓力，導致更高的錯誤率，從而縮短存儲系統(tǒng)的整體使用壽命。

閃存單元保留數(shù)據(jù)的能力隨著溫度的升高而迅速下降。升高 20oC 可將數(shù)據(jù)保留時間縮短 10 倍。另一方面，低溫使得在電池上準確編程特定水平的電荷變得更加困難。原始錯誤率以及編程和擦除周期所需的時間隨溫度而變化，方式復雜。

對于在每個存儲單元中存儲多個位的多級單元（MLC）閃存設備來說，所有這些都更糟，因為需要精確編程和讀取的電荷水平要接近得多。因此，工業(yè)系統(tǒng)傾向于依賴單級單元（SLC）或偽SLC（pSLC）存儲器，因為它們具有更高的可靠性和更長的使用壽命。

閃光控制器可以使用多種機制來管理環(huán)境應力引起的影響，并最大限度地延長使用壽命。例如，磨損均衡可確保數(shù)據(jù)均勻地寫入閃存中的每個塊，以便沒有塊過早無法使用。復雜的糾錯碼可用于檢測和糾正存儲單元中的錯誤。通過跟蹤需要更正的錯誤數(shù)量，控制器可以確定何時需要重寫內存塊以避免任何潛在的數(shù)據(jù)丟失。最終，這也可以為設備達到其使用壽命提供早期預警。

使用針對應用程序的性能和環(huán)境要求進行優(yōu)化的閃存控制器對于創(chuàng)建可實現(xiàn)指定工作壽命的高質量存儲系統(tǒng)至關重要。

結論

在設計工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) 5G 網(wǎng)關時，性能、存儲和安全配置文件需要盡可能接近 5G 網(wǎng)絡。這確保了整個系統(tǒng)能夠滿足其端到端的服務級別規(guī)范，并滿足新興應用程序的要求。

為了滿足工業(yè)級應用程序的所有要求，選擇正確的存儲技術、供應商和供應鏈至關重要。特別是，您需要確認所選存儲系統(tǒng)（包括使用的 NAND 閃存設備）滿足這些要求。

選擇合適的NAND閃存控制器和固件將確保正確管理內存技術的固有物理特性及其固有弱點。這使存儲能夠可靠地滿足其任務配置文件。

憑借在提供高性能、安全可靠的存儲解決方案方面的豐富經(jīng)驗，Hyperstone 隨時準備討論與創(chuàng)建工業(yè)網(wǎng)關相關的非易失性存儲的任何方面。

審核編輯：郭婷