越來越多地使用數(shù)字技術實現(xiàn)系統(tǒng)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，以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、電氣化和計算機之后，連接性、大數(shù)據(jù)分析和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)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(chǎn)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。

5G市場的增長

到2023年，可能會有超過40億個機器對機器 (M2M) 連接越來越多的應用程序。這包括車輛中的導航系統(tǒng)、物流中的資產(chǎn)跟蹤、實時監(jiān)控患者生命體征的可穿戴醫(yī)療組件以及工業(yè)制造。

預計越來越多的通信基礎設施將轉(zhuǎn)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，未來的投資可能會集中在5G新無線電(NR)基礎設施上，而不是遺留系統(tǒng)上。

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

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)絡的許多不同內(nèi)部設備之間建立接口。該網(wǎng)關必須將5G性能傳輸?shù)焦I(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)行相反的處理。

網(wǎng)關軟件要求

5G網(wǎng)關需要運行大型、復雜的軟件。代碼庫將由操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡層和與舊設備接口所需的協(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。這種存儲要求只能使用NAND閃存來滿足，它本身就有系統(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，并且通常在極端溫度下。

因此，必須選擇或設計系統(tǒng)中的每個組件，以滿足可靠性和使用壽命的要求。這包括機電組件、電源、半導體組件，尤其是用于關鍵任務代碼和數(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存儲對于實現(xiàn)指定的性能和運行壽命極為重要。存儲系統(tǒng)必須使網(wǎng)關能夠滿足與5G網(wǎng)絡本身相同的性能標準。

使用壽命要求

許多行業(yè)的系統(tǒng)更換率以幾十年來計算。計劃外停機的成本可能很高，因此現(xiàn)在安裝的網(wǎng)關必須在多年內(nèi)繼續(xù)運行并提供相同的服務質(zhì)量和可靠性。

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

一些設備是為消費者使用而設計和表征的。預計它們每天僅活動幾個小時，在正常室溫下運行的壽命為5年。這與指定在更廣泛的環(huán)境條件下每天24小時、每周7天、至少十年運行的工業(yè)組件有很大不同：工業(yè)半導體通常在-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鍵設計問題之一。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增加10倍。這很重要，因為隨著泄漏電流的增加，功耗也會增加。因此，有效的熱管理至關重要。

高溫對設備的使用壽命也有顯著的負面影響。在NAND閃存的情況下，高溫和溫度變化都會對單元造成壓力，導致更高的錯誤率，從而縮短存儲系統(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)保留時間減少 10倍。另一方面，低溫使準確編程電池上的特定電荷水平變得更加困難。原始錯誤率以及編程和擦除周期所需的時間以復雜的方式隨溫度變化。

對于在每個存儲單元中存儲多于一位的多級單元(MLC) 閃存設備來說，所有這些情況都更糟，因為需要精確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。

閃存控制器可以使用多種機制來管理環(huán)境壓力造成的影響并最大限度地延長使用壽命。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塊，從而不會有任何塊過早變得不可用。復雜的糾錯碼可用于檢測和糾正存儲單元中的錯誤。通過跟蹤需要糾正的錯誤數(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)境要求進行了優(yōu)化的閃存控制器對于創(chuàng)建高質(zhì)量的存儲系統(tǒng)以實現(xiàn)指定的工作壽命至關重要。

結(jié)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。這確保了系統(tǒng)作為一個整體能夠滿足其端到端服務級別規(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，您需要確認所選的存儲系統(tǒng)（包括使用的NAND 閃存設備）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。