隨著數(shù)字技術(shù)越來越多地用于系統(tǒng)之間的自動化和通信，制造和生產(chǎn)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(shè)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(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)致對工業(yè)存儲的需求不斷增加，特別是當(dāng)它應(yīng)用于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)時。

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(yīng)用中，機器對機器 （M2M） 連接可能超過 40 億個。這包括車輛導(dǎo)航系統(tǒng)、物流資產(chǎn)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(yù)計越來越多的通信基礎(chǔ)設(shè)施將轉(zhuǎn)向“獨立”的5G網(wǎng)絡(luò);也就是說，他們不會依賴現(xiàn)有的4G / LTE基礎(chǔ)設(shè)施。因此，未來的投資可能集中在5G新無線電（NR）基礎(chǔ)設(shè)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(yīng)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(gòu)成工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和5G網(wǎng)絡(luò)的許多不同的內(nèi)部設(shè)備之間有一個接口。該網(wǎng)關(guān)必須將5G性能傳遞到工業(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的連接設(shè)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(luò)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(guān)

網(wǎng)關(guān)軟件要求

5G 網(wǎng)關(guān)需要運行大型、復(fù)雜的軟件。代碼庫將包括操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)層和連接到舊設(shè)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(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(shè)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(dǎo)體組件，尤其是關(guān)鍵任務(wù)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(wù)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(guān)滿足與 5G 網(wǎng)絡(luò)本身相同的性能標(biāo)準(zhǔn)。

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(guān)必須繼續(xù)運行并提供相同的服務(wù)質(zhì)量和可靠性多年。

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

一些設(shè)備是為消費者使用而設(shè)計和表征的。預(yù)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(dǎo)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(guān)鍵設(shè)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(guān)重要。

高溫也會對設(shè)備的使用壽命產(chǎn)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(dǎo)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(zhǔn)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(fù)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(shè)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(yīng)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(fù)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(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)備達到其使用壽命提供早期預(yù)警。

使用針對應(yīng)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(zhì)量存儲系統(tǒng)至關(guān)重要。

結(jié)論

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

為了滿足工業(yè)級應(yīng)用程序的所有要求，選擇正確的存儲技術(shù)、供應(yīng)商和供應(yīng)鏈至關(guān)重要。特別是，您需要確認(rèn)所選存儲系統(tǒng)（包括使用的 NAND 閃存設(shè)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(nèi)存技術(shù)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(wù)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(zhǔn)備討論與創(chuàng)建工業(yè)網(wǎng)關(guān)相關(guān)的非易失性存儲的任何方面。

審核編輯：郭婷