Sự tăng trưởng về số lượng các thiết bị được kết nối trong các ứng dụng công nghiệp đòi hỏi các thiết bị truyền thông đáng tin cậy để tích hợp các mạng kết nối. Điều này dẫn đến việc tăng nhu cầu lưu trữ công nghiệp, đặc biệt là áp dụng cho các cổng IoT công nghiệp.

Các hệ thống được kết nối trong Công nghiệp 4.0

Đến năm 2023, có hơn 4 tỷ kết nối machine-to-machine (M2M) trên một loạt các ứng dụng. Điều này bao gồm các hệ thống điều hướng trong các phương tiện, theo dõi tài sản trong hậu cần, các bộ phận y tế có thể giám sát các dấu hiệu quan trọng của bệnh nhân trong thời gian thực và sản xuất công nghiệp.

Người ta hy vọng rằng một tỷ lệ ngày càng tăng của cơ sở hạ tầng truyền thông sẽ chuyển sang các mạng 5G độc lập, không dựa vào cơ sở hạ tầng 4G/LTE hiện có. Do đó, đầu tư trong tương lai có thể sẽ tập trung vào cơ sở hạ tầng 5G thay vì các hệ thống kế thừa.

Điều này sẽ làm cho các khả năng nâng cao và các tính năng mới của 5G có sẵn rộng rãi hơn: tốc độ dữ liệu cao hơn, độ trễ rất thấp, tính đồng bộ được cải thiện và độ tin cậy cao hơn. Các nhà phát triển của các hệ thống công nghiệp sẽ muốn khai thác các tính năng này để cho phép các ứng dụng mới sáng tạo.

Gateway IoT 5G

Để có được lợi ích của 5G trong môi trường công nghiệp, cần phải có giao diện giữa nhiều thiết bị bên trong khác nhau tạo nên IoT công nghiệp và mạng 5G. Gateway phải mang hiệu suất 5G đến mạng IoT công nghiệp.

Trong môi trường công nghiệp, gateway 5G tổng hợp các giao thức khác nhau được sử dụng bởi nhiều thiết bị được kết nối khác nhau trong nhà máy như cảm biến, bộ truyền động và máy móc tự động. Nó gói gọn dữ liệu thành một định dạng phù hợp để truyền qua giao diện 5G và thực hiện quy trình ngược cho dữ liệu nhận được từ mạng 5G.

Yêu cầu phần mềm gateway

Gateway 5G cần chạy phần mềm lớn, phức tạp. Chúng sẽ bao gồm một hệ điều hành, các lớp mạng và các giao thức cần thiết để giao diện với các thiết bị kế thừa. Điều này có nghĩa là hàng triệu dòng mã và hàng chục gigabyte lưu trữ liên tục. Yêu cầu lưu trữ này chỉ có thể được đáp ứng bằng cách sử dụng NAND Flash, đi kèm với các yêu cầu cấp hệ thống của riêng nó.

Để cung cấp các mức hiệu suất được yêu cầu bởi các ứng dụng công nghiệp này, các gateway cần đáp ứng cùng một cấp độ dịch vụ (SLS) như chính mạng 5G. Điều này có nghĩa là gateway phải tương xứng hoặc vượt quá khả năng của mạng di động, đồng thời đáp ứng các yêu cầu của các hệ thống công nghiệp được kết nối. Họ cũng phải hoạt động trong các điều kiện môi trường khắt khe, có thể ngoài trời và thường có nhiệt độ cực đoan.

Do đó, mọi thành phần trong hệ thống phải được chọn hoặc thiết kế để đáp ứng các yêu cầu về độ tin cậy và hoạt động. Điều này bao gồm các thành phần cơ điện, nguồn cung cấp năng lượng, các thành phần bán dẫn và đặc biệt là lưu trữ non-volatile cho và dữ liệu quan trọng.

Chỉ định lưu trữ an toàn và đáng tin cậy sử dụng bộ điều khiển flash được tối ưu hóa cho nhiệm vụ của hệ thống là vô cùng quan trọng trong việc đạt được hiệu suất và tuổi thọ hoạt động được chỉ định. Hệ thống lưu trữ phải cho phép gateway đáp ứng các tiêu chuẩn tương tự về hiệu suất như chính mạng 5G.

Độ bền

Tỷ lệ thay thế các hệ thống trong nhiều ngành công nghiệp được tính trong nhiều thập kỷ. Các chi phí của thời gian ngừng hoạt động không có kế hoạch có thể là đáng kể và do đó các gateway được cài đặt bây giờ phải tiếp tục hoạt động và cung cấp chất lượng dịch vụ và độ tin cậy tương tự trong nhiều năm.

Các nhà sản xuất chất bán dẫn sử dụng các quy tắc thiết kế, phân tích năng lượng, mô phỏng và thử nghiệm, để định lượng tuổi thọ của thiết bị và các yếu tố môi trường sẽ ảnh hưởng đến nó như thế nào. Điều này cho phép nhà sản xuất chỉ định chính xác thời gian hoạt động trong các điều kiện nhất định.

Một số thiết bị được thiết kế và đặc trưng cho việc sử dụng người tiêu dùng. Những thiết bị này chỉ được dự kiến hoạt động trong một vài giờ mỗi ngày, giả sử 5 năm hoạt động ở nhiệt độ phòng bình thường. Điều này rất khác với một thành phần công nghiệp được chỉ định để vận hành 24 giờ một ngày, bảy ngày một tuần trong tối thiểu mười năm trong phạm vi điều kiện môi trường rộng hơn. Các linh kiện cấp công nghiệp thường đủ điều kiện với phạm vi nhiệt độ hoạt động từ -40 đến 85°C.

Tầm quan trọng của quản lý nhiệt

Nhiệt độ là một trong những vấn đề thiết kế chính phải được xem xét. Nó ảnh hưởng đến nhiều tham số hoạt động của các transistor trong chip.

Nhiệt độ cao cũng có tác động tiêu cực đáng kể đến tuổi thọ hoạt động của thiết bị. Trong trường hợp flash NAND, cả sự thay đổi nhiệt độ và nhiệt độ cao sẽ tác động đến các cell, gây ra tỷ lệ lỗi cao hơn làm giảm tuổi thọ chung của hệ thống lưu trữ.

Khả năng của các cell flash để giữ lại dữ liệu giảm nhanh với nhiệt độ tăng. Việc tăng 20 độ C có thể giảm thời gian lưu dữ liệu theo hệ số 10. Mặt khác, nhiệt độ thấp khiến việc lập trình chính xác một mức độ điện tích cụ thể trên cell. Tỷ lệ lỗi thô và thời gian cần thiết cho chương trình và xóa chu kỳ thay đổi theo nhiệt độ theo những cách phức tạp.

Khi thiết kế một gateway IoT 5G công nghiệp, lưu trữ và bảo mật cần phải càng gần càng với mạng 5G. Để đáp ứng tất cả các yêu cầu của một ứng dụng cấp công nghiệp, điều cần thiết là chọn công nghệ lưu trữ, nhà cung cấp và chuỗi cung ứng phù hợp.