由于越來越多地使用數字技術實現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預防性維護，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。

在蒸汽機、電氣化和計算的引入之后，連接、大數據分析、工業物聯網（IIoT）的應用通常被稱為第四次工業革命，即工業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。

5G市場成長

到 2023 年，在越來越多的應用中，可能會有超過 40 億個機器對機器 （M2M） 連接。這包括車輛中的導航系統，物流中的資產跟蹤，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，而不是遺留系統。

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。

通往5G的門戶

為了在工業環境中獲得5G的好處，有必要在構成工業物聯網和5G網絡的許多不同內部設備之間建立接口。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反向過程。

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、網絡層和與傳統設備接口所需的協議。這意味著數百萬行代碼和數十 GB 的持久性存儲。只有使用 NAND 閃存才能滿足此存儲要求，NAND 閃存本身也具有系統級要求。

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）。這意味著網關必須達到或超過蜂窩網絡的功能，同時還要滿足所連接工業系統的要求。它們還必須在苛刻的環境條件下運行，可能是室外，并且經常在極端溫度下運行。

因此，必須選擇或設計系統中的每個組件，以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能夠滿足與 5G 網絡本身相同的性能標準。

使用壽命要求

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，并提供多年來相同的服務質量和可靠性。

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器件的行為以及環境因素將如何影響器件。這使得制造商能夠準確地指定給定條件下的使用壽命。

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，在正常室溫下運行5年。這與指定在更寬的環境條件下每周7天，每天24小時運行至少十年的工業組件有很大不同：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。NMOS晶體管的漏電流通常隨著環境溫度從50°C增加到100°C而增加十倍。 這很重要，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的負面影響。在NAND閃存的情況下，高溫和溫度變化都會對電池造成壓力，從而導致更高的錯誤率，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。增加 20oC 可將數據保留時間縮短 10 倍。另一方面，低溫使得在電池上精確編程特定電荷水平變得更加困難。原始錯誤率以及程序和擦除周期所需的時間會隨著溫度而變化，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更接近。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各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，磨損均衡可確保將數據均勻地寫入閃存中的每個塊，這樣就不會有塊過早地變得不可用。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，這也可以為達到其使用壽命的設備提供早期預警。

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將實現指定操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。這確保了系統作為一個整體能夠滿足其端到端服務級別規范，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，必須選擇合適的存儲技術、供應商和供應鏈。特別是，您需要確認所選存儲系統（包括使用的 NAND 閃存設備）是否滿足這些要求。

選擇正確的NAND閃存控制器和固件將確保正確管理存儲器技術的固有物理特性及其固有弱點。這使得存儲能夠可靠地滿足其任務配置文件。

Hyperstone 在提供高性能、安全且可靠的存儲解決方案方面擁有豐富的經驗，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