工業(yè)系統(tǒng)中可靠5G網(wǎng)關(guān)的存儲(chǔ)要求

越來越多地使用數(shù)字技術(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間的自動(dòng)化和通信，制造和生產(chǎn)正在發(fā)生革命性的變化。訪問實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)可以更有效地利用資源和先發(fā)制人的維護(hù)，以最大限度地減少停機(jī)時(shí)間并最大限度地延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。

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

工業(yè)應(yīng)用中連接設(shè)備數(shù)量的增長(zhǎng)需要高度可靠的通信產(chǎn)品來集成公共和專用網(wǎng)絡(luò)。這反過來又導(dǎo)致對(duì)工業(yè)存儲(chǔ)的需求不斷增加，特別是當(dāng)它應(yīng)用于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)時(shí)。

5G市場(chǎng)的增長(zhǎng)

到2023年，可能會(huì)有超過40億個(gè)機(jī)器對(duì)機(jī)器 (M2M) 連接越來越多的應(yīng)用程序。這包括車輛中的導(dǎo)航系統(tǒng)、物流中的資產(chǎn)跟蹤、實(shí)時(shí)監(jiān)控患者生命體征的可穿戴醫(yī)療組件以及工業(yè)制造。

預(yù)計(jì)越來越多的通信基礎(chǔ)設(shè)施將轉(zhuǎn)向“獨(dú)立”的5G網(wǎng)絡(luò)；也就是說，他們不會(huì)依賴現(xiàn)有的4G/LTE基礎(chǔ)設(shè)施。因此，未來的投資可能會(huì)集中在5G新無線電(NR)基礎(chǔ)設(shè)施上，而不是遺留系統(tǒng)上。

這將使5G的增強(qiáng)功能和新特性得到更廣泛的應(yīng)用：更高的數(shù)據(jù)速率、極低的延遲、改進(jìn)的同步性和更高的可靠性。工業(yè)系統(tǒng)的開發(fā)人員希望利用這些特性來實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新的新應(yīng)用程序。

通往5G的門戶

為了在工業(yè)環(huán)境中獲得5G的好處，有必要在構(gòu)成工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和5G網(wǎng)絡(luò)的許多不同內(nèi)部設(shè)備之間建立接口。該網(wǎng)關(guān)必須將5G性能傳輸?shù)焦I(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。

在工業(yè)環(huán)境中，5G網(wǎng)關(guān)聚合了工廠中許多不同連接設(shè)備（如傳感器、執(zhí)行器和自動(dòng)化機(jī)械）使用的各種協(xié)議。它將數(shù)據(jù)封裝成適合通過5G無線接口傳輸?shù)母袷剑?duì)從5G網(wǎng)絡(luò)接收的數(shù)據(jù)執(zhí)行相反的處理。

網(wǎng)關(guān)軟件要求

5G網(wǎng)關(guān)需要運(yùn)行大型、復(fù)雜的軟件。代碼庫將由操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)層和與舊設(shè)備接口所需的協(xié)議組成。這意味著數(shù)百萬行代碼和數(shù)十GB的持久存儲(chǔ)。這種存儲(chǔ)要求只能使用NAND閃存來滿足，它本身就有系統(tǒng)級(jí)要求。

為了提供這些工業(yè)應(yīng)用所需的性能水平，網(wǎng)關(guān)需要滿足與5G網(wǎng)絡(luò)本身相同的服務(wù)水平規(guī)范 (SLS)。這意味著網(wǎng)關(guān)必須匹配或超過蜂窩網(wǎng)絡(luò)的能力，同時(shí)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(yùn)行，可能是在戶外，并且通常在極端溫度下。

因此，必須選擇或設(shè)計(jì)系統(tǒng)中的每個(gè)組件，以滿足可靠性和使用壽命的要求。這包括機(jī)電組件、電源、半導(dǎo)體組件，尤其是用于關(guān)鍵任務(wù)代碼和數(shù)據(jù)的非易失性存儲(chǔ)。

指定使用針對(duì)系統(tǒng)任務(wù)配置文件優(yōu)化的閃存控制器的安全可靠存儲(chǔ)對(duì)于實(shí)現(xiàn)指定的性能和運(yùn)行壽命極為重要。存儲(chǔ)系統(tǒng)必須使網(wǎng)關(guān)能夠滿足與5G網(wǎng)絡(luò)本身相同的性能標(biāo)準(zhǔn)。

使用壽命要求

許多行業(yè)的系統(tǒng)更換率以幾十年來計(jì)算。計(jì)劃外停機(jī)的成本可能很高，因此現(xiàn)在安裝的網(wǎng)關(guān)必須在多年內(nèi)繼續(xù)運(yùn)行并提供相同的服務(wù)質(zhì)量和可靠性。

半導(dǎo)體制造商使用設(shè)計(jì)規(guī)則、功率分析、仿真和加速壽命測(cè)試來量化設(shè)備的行為以及環(huán)境因素將如何影響它。這使制造商能夠準(zhǔn)確地指定給定條件下的工作壽命。

一些設(shè)備是為消費(fèi)者使用而設(shè)計(jì)和表征的。預(yù)計(jì)它們每天僅活動(dòng)幾個(gè)小時(shí)，在正常室溫下運(yùn)行的壽命為5年。這與指定在更廣泛的環(huán)境條件下每天24小時(shí)、每周7天、至少十年運(yùn)行的工業(yè)組件有很大不同：工業(yè)半導(dǎo)體通常在-40 到85°C 的工作溫度范圍內(nèi)合格。

熱管理的重要性

溫度是必須考慮的關(guān)鍵設(shè)計(jì)問題之一。它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(huì)增加10倍。這很重要，因?yàn)殡S著泄漏電流的增加，功耗也會(huì)增加。因此，有效的熱管理至關(guān)重要。

高溫對(duì)設(shè)備的使用壽命也有顯著的負(fù)面影響。在NAND閃存的情況下，高溫和溫度變化都會(huì)對(duì)單元造成壓力，導(dǎo)致更高的錯(cuò)誤率，從而縮短存儲(chǔ)系統(tǒng)的整體壽命。

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20°C 可以將數(shù)據(jù)保留時(shí)間減少 10倍。另一方面，低溫使準(zhǔn)確編程電池上的特定電荷水平變得更加困難。原始錯(cuò)誤率以及編程和擦除周期所需的時(shí)間以復(fù)雜的方式隨溫度變化。

對(duì)于在每個(gè)存儲(chǔ)單元中存儲(chǔ)多于一位的多級(jí)單元(MLC) 閃存設(shè)備來說，所有這些情況都更糟，因?yàn)樾枰_編程和讀取的電荷水平更接近。因此，工業(yè)系統(tǒng)傾向于依賴單級(jí)單元 (SLC) 或偽SLC (pSLC)存儲(chǔ)器，因?yàn)樗鼈兙哂懈叩目煽啃院透L(zhǎng)的使用壽命。

閃存控制器可以使用多種機(jī)制來管理環(huán)境壓力造成的影響并最大限度地延長(zhǎng)使用壽命。例如，磨損均衡可確保將數(shù)據(jù)均勻地寫入閃存中的每個(gè)塊，從而不會(huì)有任何塊過早變得不可用。復(fù)雜的糾錯(cuò)碼可用于檢測(cè)和糾正存儲(chǔ)單元中的錯(cuò)誤。通過跟蹤需要糾正的錯(cuò)誤數(shù)量，控制器可以確定何時(shí)需要重寫內(nèi)存塊以避免任何潛在的數(shù)據(jù)丟失。最終，這也可以為設(shè)備達(dá)到其使用壽命提供早期預(yù)警。

使用針對(duì)應(yīng)用程序的性能和環(huán)境要求進(jìn)行了優(yōu)化的閃存控制器對(duì)于創(chuàng)建高質(zhì)量的存儲(chǔ)系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)指定的工作壽命至關(guān)重要。

結(jié)論

在設(shè)計(jì)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)5G網(wǎng)關(guān)時(shí)，性能、存儲(chǔ)和安全配置文件需要盡可能接近5G網(wǎng)絡(luò)。這確保了系統(tǒng)作為一個(gè)整體能夠滿足其端到端服務(wù)級(jí)別規(guī)范，并滿足新興應(yīng)用程序的要求。

為了滿足工業(yè)級(jí)應(yīng)用的所有要求，選擇正確的存儲(chǔ)技術(shù)、供應(yīng)商和供應(yīng)鏈至關(guān)重要。特別是，您需要確認(rèn)所選的存儲(chǔ)系統(tǒng)（包括使用的NAND 閃存設(shè)備）滿足這些要求。

選擇正確的NAND閃存控制器和固件將確保正確管理內(nèi)存技術(shù)的固有物理特性及其固有弱點(diǎn)。這使存儲(chǔ)能夠可靠地滿足其任務(wù)配置文件。