工业系统中可靠5G网关的存储要求

随着数字技术越来越多地用于系统之间的自动化和通信，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，从而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、电气化和计算之后，连接、大数据分析和工业物联网 （IIoT） 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。

工业 4.0 中的互联系统

5G市场的增长

到 2023 年，在越来越多的应用中，机器对机器 （M2M） 连接可能超过 40 亿个。这包括车辆导航系统、物流资产跟踪、实时监测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”的5G网络;也就是说，他们不会依赖现有的4G / LTE基础设施。因此，未来的投资可能集中在5G新无线电（NR）基础设施上，而不是传统系统上。

这将使5G的增强功能和新功能更广泛地可用：更高的数据速率，非常低的延迟，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功能来实现创新的新应用。

在工业 4.0 中使用 5G 连接

通往 5G 的门户

为了在工业环境中获得5G的优势，必须在构成工业物联网和5G网络的许多不同的内部设备之间有一个接口。该网关必须将5G性能传递到工业物联网网络。

在工业环境中，5G 网关聚合了工厂中许多不同的连接设备（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无线电接口传输的格式，并对从5G网络接收的数据执行相反的过程。

在工业 4.0 系统中使用 5G 网关

网关软件要求

5G 网关需要运行大型、复杂的软件。代码库将包括操作系统、网络层和连接到旧设备所需的协议。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，NAND闪存有自己的系统级要求。

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，并且通常具有极端温度。

因此，系统中的每个组件都必须选择或设计为满足可靠性和使用寿命要求。这包括机电组件、电源、半导体组件，尤其是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的存储对于实现指定的性能和使用寿命非常重要。存储系统必须使网关满足与 5G 网络本身相同的性能标准。

运行寿命要求

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

半导体制造商使用设计规则、功耗分析、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设备。这使制造商能够在给定条件下准确指定使用寿命。

一些设备是为消费者使用而设计和表征的。预计它们每天只能活跃几个小时，寿命为在正常室温下运行 5 年。这与指定在更广泛的环境条件下每周 7 天、每天 24 小时运行至少十年的工业组件非常不同：工业半导体通常具有 -40 至 85°C 的工作温度范围。

热管理的重要性

温度是必须考虑的关键设计问题之一。它会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°C，NMOS晶体管的漏电流通常会增加十倍。 这一点很重要，因为随着漏电流的增加，功耗也会增加。因此，有效的热管理至关重要。

高温也会对设备的使用寿命产生重大负面影响。在NAND闪存的情况下，高温和温度变化都会给单元带来压力，导致更高的错误率，从而缩短存储系统的整体使用寿命。

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 20ºC 可将数据保留时间缩短 10 倍。另一方面，低温使得在电池上准确编程特定水平的电荷变得更加困难。原始错误率以及编程和擦除周期所需的时间随温度而变化，方式复杂。

对于在每个存储单元中存储多个位的多级单元（MLC）闪存设备来说，所有这些都更糟，因为需要精确编程和读取的电荷水平要接近得多。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。

闪光控制器可以使用多种机制来管理环境应力引起的影响，并最大限度地延长使用寿命。例如，磨损均衡可确保数据均匀地写入闪存中的每个块，以便没有块过早无法使用。复杂的纠错码可用于检测和纠正存储单元中的错误。通过跟踪需要更正的错误数量，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优化的闪存控制器对于创建可实现指定工作寿命的高质量存储系统至关重要。

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。这确保了整个系统能够满足其端到端的服务级别规范，并满足新兴应用程序的要求。

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

选择合适的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。

凭借在提供高性能、安全可靠的存储解决方案方面的丰富经验，Hyperstone 随时准备讨论与创建工业网关相关的非易失性存储的任何方面。

审核编辑：郭婷