Hyperstone - Exigences de stockage pour des passerelles 5G fiables destinées à des systèmes industriels

La fabrication et la production sont révolutionnées par l'utilisation croissante des technologies numériques pour l'automatisation et la communication entre systèmes. L'accès aux données en temps réel permet une utilisation plus efficace des ressources et la planification d’opérations de maintenance préventive pour minimiser les temps d'arrêt et maximiser la durée de vie des équipements.

Utilisation de passerelles 5G dans les systèmes Industrie 4.0.

Après l'introduction de la machine à vapeur, de l'électricité, puis de l'informatique, l'application de la connectivité, de l'analyse big data et de l'Internet industriel des objets (IIoT) est souvent considérée comme la quatrième révolution industrielle, ou Industrie 4.0.
Cette croissance du nombre de dispositifs connectés dans les applications industrielles nécessite des produits de communication très fiables pour intégrer les réseaux publics et privés. Cela entraîne des demandes croissantes en matière de stockage industriel, en particulier s’agissant des passerelles IoT industrielles.

Croissance du marché de la 5G
D'ici 2023, il y aura probablement plus de 4 milliards de connexions machine-à-machine (M2M) servant à un nombre croissant d'applications. Il s'agira notamment de systèmes de navigation embarqués à bord de véhicules, de dispositifs de suivi d’actifs dans la logistique, d’appareils médicaux wearables (à porter sur soi) pour surveiller les paramètres vitaux d'un patient en temps réel, et de la fabrication industrielle.

On s'attend à ce qu'une proportion croissante de l'infrastructure de communication passe à des réseaux 5G « autonomes », c'est-à-dire ne s’appuyant pas sur l'infrastructure 4G/LTE existante. Par conséquent, les futurs investissements seront probablement axés sur l'infrastructure de la nouvelle radio (NR) 5G plutôt que sur les systèmes existants.

Les capacités améliorées et les nouvelles fonctionnalités de la 5G seront ainsi plus largement disponibles : débits de données plus élevés, latence très faible, synchronisation améliorée et fiabilité accrue. Les développeurs de systèmes industriels voudront tirer parti de ces caractéristiques pour créer de nouvelles applications innovantes.

La passerelle 5G
Afin de bénéficier des avantages de la 5G au sein d'un environnement industriel, il faut une interface entre les nombreux appareils internes qui composent l'IoT industriel, et le réseau 5G. Cette passerelle doit apporter les performances de la 5G jusqu'au réseau IoT industriel.

Dans le cadre industriel, une passerelle 5G agrège les différents protocoles utilisés par les nombreux appareils connectés présents dans l'usine, comme les capteurs, les actionneurs et autres machines automatiques. La passerelle doit encapsuler les données dans un format adapté à la transmission sur une interface radio 5G, et assurer le processus inverse pour les données reçues du réseau 5G.

Configuration logicielle de la passerelle
Les passerelles 5G doivent exécuter des logiciels volumineux et complexes. Le code comprend un système d'exploitation, des couches réseau et les protocoles nécessaires à l'interface avec les dispositifs existants. Cela signifie des millions de lignes de code et des dizaines de gigaoctets de stockage permanent. Cette exigence en matière de stockage ne peut être satisfaite que par la technologie flash NAND, qui est assortie d'exigences propres au niveau système.

Pour fournir les niveaux de performance exigés par ces applications industrielles, les passerelles doivent répondre aux mêmes spécifications de niveau de service (SLS) que le réseau 5G lui-même. Cela signifie que la passerelle doit égaler, voire dépasser les capacités du réseau cellulaire, tout en répondant aux exigences des systèmes industriels connectés. Elles doivent également pouvoir fonctionner dans les environnements difficiles, éventuellement en extérieur, et souvent sous des températures extrêmes.

Par conséquent, chaque composant du système doit impérativement être choisi ou conçu pour répondreà certaines exigences de fiabilité et de durée de vie. Il s'agit notamment des composants électromécaniques, des alimentations électriques, des composants semi-conducteurs et, surtout, de la mémoire non volatile qui contient le code et les données essentiels à la mission.

Spécifier un stockage sécurisé et fiable, qui utilise un contrôleur flash optimisé pour le profil de mission du système est indispensable pour garantir les performances et la durée de vie spécifiées. Le système de stockage doit permettre à la passerelle de répondre aux mêmes normes de performance que le réseau 5G lui-même.



Utilisation de la connectivité 5G dans l'Industrie 4.0.

Exigences en matière de durée de vie opérationnelle
Le rythme de remplacement des systèmes dans de nombreuses industries se compte en décennies. Le coût des arrêts non planifiés peut être considérable. Par conséquent les passerelles installées aujourd'hui doivent pouvoir continuer à fonctionner et à fournir la même qualité de service et la même fiabilité, pendant de nombreuses années.

Les fabricants de semi-conducteurs s’appuient sur des règles de conception, l'analyse de puissance, la simulation et des tests accélérés de durée de vie, pour quantifier le comportement d'un dispositif et la façon dont il pourra être affecté par les facteurs environnementaux. Cela permet au fabricant de spécifier avec précision la durée de vie utile dans des conditions données.

Certains appareils sont conçus et caractérisés pour un usage grand public. Ils ne sont censés être actifs que quelques heures par jour, avec une durée de vie de 5 ans, par exemple, à des températures ambiantes normales. C'est très différent d'un composant industriel spécifié pour fonctionner 24 heures sur 24, sept jours sur sept pendant au moins dix ans, dans des conditions environnementales beaucoup plus extrêmes : les semi-conducteurs industriels sont généralement homologués pour une plage de température opérationnelle allant de -40 à +85°C.

Importance de la gestion thermique
La température est l'une des principaux facteurs de conception à prendre en compte. Elle affecte de nombreux paramètres opérationnels des transistors présents dans les puces, notamment le courant de fuite. Le courant de fuite d'un transistor NMOS est typiquement multiplié par 10 quand la température ambiante passe de 50°C à 100°C. Ceci est très important car plus le courant de fuite augmente, plus la puissance dissipée augmente. Une gestion thermique efficace est donc essentielle.

Les températures élevées ont globalement un impact négatif majeur sur la durée de vie d'un appareil. Dans le cas de la mémoire flash NAND, les températures élevées et les variations de température stressent les cellules, ce qui entraîne des taux d'erreur plus élevés et réduit la durée de vie globale du système de stockage.

La capacité des cellules flash à conserver les données diminue rapidement quand la température augmente. Une augmentation de 20ºC peut réduire le temps de rétention des données d'un facteur 10. D’un autre côté, les basses températures rendent plus difficile la programmation précise d'un niveau de charge spécifique sur une cellule. Les taux d'erreur bruts et le temps nécessaire pour effectuer les cycles de programmation et d'effacement varient avec la température de manière complexe.

Tout cela est encore pire pour les dispositifs flash à cellules multi-niveaux (MLC) qui stockent plusieurs bits dans chaque cellule mémoire, car les niveaux de charge, qui doivent être programmés et lus avec précision, sont beaucoup plus rapprochés. Par conséquent, les systèmes industriels s'appuient plutôt sur des mémoires à cellules à niveau unique (SLC) ou pseudo-SLC (pSLC) en raison de leur plus grande fiabilité et de leur durée de vie plus longue.

Le contrôleur flash peut recourir à divers mécanismes pour gérer les effets des contraintes environnementales, et maximiser la durée de vie. Par exemple, le nivelage d'usure garantit permet d’écrire les données de manière uniforme dans chaque bloc de la mémoire flash, de sorte qu'aucun bloc ne devienne inutilisable prématurément. Des codes de correction d'erreurs sophistiqués peuvent être utilisés pour détecter et corriger les erreurs dans les cellules mémoire. En suivant les nombres d'erreurs à corriger, le contrôleur peut déterminer quand un bloc de mémoire doit être réécrit pour éviter toute perte potentielle de données. Au bout du compte, cela peut aussi servir à prédire de manière précoce la fin de vie utile d’un dispositif.

L'utilisation d'un contrôleur flash optimisé pour les performances et les exigences environnementales de l'application, est essentielle pour créer un système de stockage de haute qualité, qui sera capable d’atteindre la durée de vie spécifiée.



Systèmes connectés de l'Industrie 4.0.

Conclusion
Lors de la conception d'une passerelle 5G pour l'IoT industriel, les profils de performance, de stockage et de sécurité doivent être aussi proches que possible de ceux du réseau 5G. Cela permet de s'assurer que le système dans son ensemble respecte sa spécification de niveau de service de bout en bout, et répond aux exigences des applications nouvelles et émergentes.

Pour répondre à toutes les exigences d'une application de niveau industriel, il est essentiel de choisir la bonne technologie de stockage, le bon fournisseur et la bonne chaîne d'approvisionnement. En particulier, vous devez vous assurer que le système de stockage sélectionné (y compris les dispositifs flash NAND utilisés) répond à ces exigences.

Le choix d'un contrôleur et d'un micrologiciel NAND flash adaptés permettra de gérer correctement les propriétés physiques intrinsèques de la technologie mémoire et ses faiblesses inhérentes. Cela permettra au système de stockage de répondre de manière fiable à son profil de mission.

Forte de sa grande expérience dans la fourniture de solutions de stockage performantes, sécurisées et fiables, Hyperstone est prête à parler avec vous de tous les aspects du stockage non volatile dans le cadre de la création d'une passerelle industrielle.

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