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工业系统中可靠5G网关的存储要求


越来越多地使用数字技术实现系统间的自动化和通信,制造和生产正在发生革命性的变化。访问实时数据可以更有效地利用资源和先发制人的维护,以最大限度地减少停机时间并最大限度地延长设备的使用寿命。

在引入蒸汽机、电气化和计算机之后,连接性、大数据分析和工业物联网的应用通常被称为第四次工业革命或工业4.0

工业应用中连接设备数量的增长需要高度可靠的通信产品来集成公共和专用网络。这反过来又导致对工业存储的需求不断增加,特别是当它应用于工业物联网网关时。

5G市场的增长

2023年,可能会有超过40亿个机器对机器 (M2M) 连接越来越多的应用程序。这包括车辆中的导航系统、物流中的资产跟踪、实时监控患者生命体征的可穿戴医疗组件以及工业制造。

预计越来越多的通信基础设施将转向独立5G网络;也就是说,他们不会依赖现有的4G/LTE基础设施。因此,未来的投资可能会集中在5G新无线电(NR)基础设施上,而不是遗留系统上。

这将使5G的增强功能和新特性得到更广泛的应用:更高的数据速率、极低的延迟、改进的同步性和更高的可靠性。工业系统的开发人员希望利用这些特性来实现创新的新应用程序。

通往5G的门户

为了在工业环境中获得5G的好处,有必要在构成工业物联网和5G网络的许多不同内部设备之间建立接口。该网关必须将5G性能传输到工业物联网网络。

在工业环境中,5G网关聚合了工厂中许多不同连接设备(如传感器、执行器和自动化机械)使用的各种协议。它将数据封装成适合通过5G无线接口传输的格式,并对从5G网络接收的数据执行相反的处理。

网关软件要求

5G网关需要运行大型、复杂的软件。代码库将由操作系统、网络层和与旧设备接口所需的协议组成。这意味着数百万行代码和数十GB的持久存储。这种存储要求只能使用NAND闪存来满足,它本身就有系统级要求。

为了提供这些工业应用所需的性能水平,网关需要满足与5G网络本身相同的服务水平规范 (SLS)。这意味着网关必须匹配或超过蜂窝网络的能力,同时还要满足互联工业系统的要求。它们还必须在苛刻的环境条件下运行,可能是在户外,并且通常在极端温度下。

因此,必须选择或设计系统中的每个组件,以满足可靠性和使用寿命的要求。这包括机电组件、电源、半导体组件,尤其是用于关键任务代码和数据的非易失性存储。

指定使用针对系统任务配置文件优化的闪存控制器的安全可靠存储对于实现指定的性能和运行寿命极为重要。存储系统必须使网关能够满足与5G网络本身相同的性能标准。

使用寿命要求

许多行业的系统更换率以几十年来计算。计划外停机的成本可能很高,因此现在安装的网关必须在多年内继续运行并提供相同的服务质量和可靠性。

半导体制造商使用设计规则、功率分析、仿真和加速寿命测试来量化设备的行为以及环境因素将如何影响它。这使制造商能够准确地指定给定条件下的工作寿命。

一些设备是为消费者使用而设计和表征的。预计它们每天仅活动几个小时,在正常室温下运行的寿命为5年。这与指定在更广泛的环境条件下每天24小时、每周7天、至少十年运行的工业组件有很大不同:工业半导体通常在-40 85°C 的工作温度范围内合格。

热管理的重要性

温度是必须考虑的关键设计问题之一。它影响芯片中晶体管的许多工作参数,包括漏电流。随着环境温度从50°C增加到100°CNMOS晶体管的漏电流通常会增加10倍。这很重要,因为随着泄漏电流的增加,功耗也会增加。因此,有效的热管理至关重要。

高温对设备的使用寿命也有显着的负面影响。在NAND闪存的情况下,高温和温度变化都会对单元造成压力,导致更高的错误率,从而缩短存储系统的整体寿命。

闪存单元保留数据的能力随着温度的升高而迅速下降。升高20°C 可以将数据保留时间减少 10倍。另一方面,低温使准确编程电池上的特定电荷水平变得更加困难。原始错误率以及编程和擦除周期所需的时间以复杂的方式随温度变化。

对于在每个存储单元中存储多于一位的多级单元(MLC) 闪存设备来说,所有这些情况都更糟,因为需要精确编程和读取的电荷水平更接近。因此,工业系统倾向于依赖单级单元 (SLC) 或伪SLC (pSLC)存储器,因为它们具有更高的可靠性和更长的使用寿命。

闪存控制器可以使用多种机制来管理环境压力造成的影响并最大限度地延长使用寿命。例如,磨损均衡可确保将数据均匀地写入闪存中的每个块,从而不会有任何块过早变得不可用。复杂的纠错码可用于检测和纠正存储单元中的错误。通过跟踪需要纠正的错误数量,控制器可以确定何时需要重写内存块以避免任何潜在的数据丢失。最终,这也可以为设备达到其使用寿命提供早期预警。

使用针对应用程序的性能和环境要求进行了优化的闪存控制器对于创建高质量的存储系统以实现指定的工作寿命至关重要。

结论

在设计工业物联网5G网关时,性能、存储和安全配置文件需要尽可能接近5G网络。这确保了系统作为一个整体能够满足其端到端服务级别规范,并满足新兴应用程序的要求。

为了满足工业级应用的所有要求,选择正确的存储技术、供应商和供应链至关重要。特别是,您需要确认所选的存储系统(包括使用的NAND 闪存设备)满足这些要求。

选择正确的NAND闪存控制器和固件将确保正确管理内存技术的固有物理特性及其固有弱点。这使存储能够可靠地满足其任务配置文件。


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