隨著數字技術越來越多地用于系統之間的自動化和通信，制造和生產正在發生革命性的變化。訪問實時數據可以更有效地利用資源和先發制人的維護，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、大數據分析和工業物聯網 （IIoT） 的應用通常被稱為第四次工業革命或工業 4.0。

工業應用中連接設備數量的增長需要高度可靠的通信產品來集成公共和專用網絡。這反過來又導致對工業存儲的需求不斷增加，特別是當它應用于工業物聯網網關時。

工業 4.0 中的互聯系統

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、物流資產跟蹤、實時監測患者生命體征的可穿戴醫療組件以及工業制造。

預計越來越多的通信基礎設施將轉向“獨立”的5G網絡;也就是說，他們不會依賴現有的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，而不是傳統系統上。

這將使5G的增強功能和新功能更廣泛地可用：更高的數據速率，非常低的延遲，改進的同步性和更高的可靠性。工業系統的開發人員希望利用這些功能來實現創新的新應用。

在工業 4.0 中使用 5G 連接

通往 5G 的門戶

為了在工業環境中獲得5G的優勢，必須在構成工業物聯網和5G網絡的許多不同的內部設備之間有一個接口。該網關必須將5G性能傳遞到工業物聯網網絡。

在工業環境中，5G 網關聚合了工廠中許多不同的連接設備（如傳感器、執行器和自動化機械）使用的各種協議。它將數據封裝成適合通過5G無線電接口傳輸的格式，并對從5G網絡接收的數據執行相反的過程。

在工業 4.0 系統中使用 5G 網關

網關軟件要求

5G 網關需要運行大型、復雜的軟件。代碼庫將包括操作系統、網絡層和連接到舊設備所需的協議。這意味著數百萬行代碼和數十 GB 的持久存儲。這種存儲要求只能使用NAND閃存來滿足，NAND閃存有自己的系統級要求。

為了提供這些工業應用所需的性能水平，網關需要滿足與5G網絡本身相同的服務水平規范（SLS）。這意味著網關必須匹配或超過蜂窩網絡的能力，同時還要滿足互聯工業系統的要求。它們還必須在苛刻的環境條件下運行，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據的非易失性存儲。

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

運行壽命要求

許多行業的系統更換率以幾十年為單位。計劃外停機的成本可能很高，因此現在安裝的網關必須繼續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境條件下每周 7 天、每天 24 小時運行至少十年的工業組件非常不同：工業半導體通常具有 -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，包括漏電流。隨著環境溫度從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，從而縮短存儲系統的整體使用壽命。

閃存單元保留數據的能力隨著溫度的升高而迅速下降。升高 20oC 可將數據保留時間縮短 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，工業系統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，磨損均衡可確保數據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據丟失。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境要求進行優化的閃存控制器對于創建可實現指定工作壽命的高質量存儲系統至關重要。

結論

在設計工業物聯網 5G 網關時，性能、存儲和安全配置文件需要盡可能接近 5G 網絡。這確保了整個系統能夠滿足其端到端的服務級別規范，并滿足新興應用程序的要求。

為了滿足工業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（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驗，Hyperstone 隨時準備討論與創建工業網關相關的非易失性存儲的任何方面。

審核編輯：郭婷