Speicheranforderungen für 5G-Gateways

Flash-Controller sorgt für Zuverlässigkeit

3. Mai 2022, 12:00 Uhr | Axel Mehnert/am
Industrie 4.0 hat viele Aspekte
Industrie 4.0 hat viele Aspekte. Netzwerke spielen überall hinein.
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Die Verwendung von 5G-Netzen wird zunehmen, doch im industriellen Umfeld arbeiten auch weiter verschiedene Protokolle. Dafür müssen spezielle 5G-Gateways mit umfangreicher, komplexer Software zum Einsatz kommen. Diese benötigt einen Flash-Speicher, der auch für die harschen industriellen Umgebungen geeignet ist. Was müssen diese Flash-Controller können?

Bis 2023 wird es voraussichtlich mehr als vier Milliarden Machine-to-Machine-Verbindungen (M2M) in einer wachsenden Zahl von Industrie-, Logistik- oder Medizinanwendungen geben. 5G verspricht hohe Datenraten, geringe Latenzzeiten, verbesserte Synchronität und hohe Zuverlässigkeit. Entwickler von Industriesystemen werden diese Funktionen nutzen, um innovative Anwendungen zu ermöglichen. Wahrscheinlich ist, dass man einen zunehmenden Anteil der Kommunikationsinfrastruktur auf eigenständige 5G-Netze umstellt, die nicht mehr auf die bestehende 4G/LTE-Infrastruktur angewiesen sind. Da im industriellen Umfeld verschiedene Protokolle zum Einsatz kommen, sind allerdings spezielle 5G-Gateways mit umfangreicher, komplexer Software nötig. Die Code-Basis wird aus einem Betriebssystem, Netzwerkschichten und Protokollen für die Schnittstelle zu älteren Geräten bestehen. Für diese Software sind Flash-Speicher Voraussetzung, die auf industrietaugliche 5G-Gateways mit harschen Umgebungsbedingungen und langen Produktlebenszyklen abgestimmt sind. Flash-Controller ermöglichen die Nutzung von NAND-Chips für solche Einsatzbedingungen.

Um die Vorteile von 5G in einer industriellen Umgebung nutzen zu können, ist eine Schnittstelle zwischen den verschiedenen internen Geräten, aus denen das industrielle IoT besteht, und dem 5G-Netz erforderlich. Dieses Gateway muss die 5G-Leistung an das industrielle IoT-Netzwerk weitergeben. Im industriellen Umfeld aggregiert ein 5G-Gateway die verschiedenen Protokolle, die zum Beispiel von den angeschlossenen Sensoren, Aktoren und automatisierten Maschinen in einer Smart Factory in Verwendung sind. Es kapselt die Daten in ein Format, das für die Übertragung über eine 5G-Funkschnittstelle geeignet ist und führt den umgekehrten Prozess für die vom 5G-Netzwerk empfangenen Daten durch.

Um die von industriellen Anwendungen geforderten Leistungsniveaus zu erreichen, müssen die Gateways dieselbe Service-Level-Specification (SLS) erfüllen wie das 5G-Netz selbst. Das bedeutet, dass die Gateways den Fähigkeiten des Mobilfunknetzes entsprechen oder diese sogar übertreffen müssen, während sie gleichzeitig die Anforderungen der angeschlossenen Industriesysteme erfüllen. Auch müssen sie unter anspruchsvollen Umgebungsbedingungen arbeiten, möglicherweise im Freien und bei extremen Temperaturen.

Jede Komponente des Systems muss man daher so auswählen oder konstruieren, dass sie den Anforderungen an Zuverlässigkeit und Betriebsdauer entspricht. Dazu gehören elektromechanische Komponenten, Stromversorgungen, Halbleiterkomponenten und vor allem der nichtflüchtige Speicher für die Millionen von Code-Zeilen, die für die Schnittstellenfunktion des Gateways nötig sind. Diese Speicheranforderung lässt sich mit NAND-Flash erfüllen, welcher eigene Anforderungen auf Systemebene mit sich bringt. Die Spezifikation eines sicheren und zuverlässigen Speichers, der einen für das Einsatzprofil des Systems optimierten Flash-Controller verwendet, ist wichtig, um die spezifizierte Leistung, Zuverlässigkeit und Betriebsdauer zu erreichen. Das Speichersystem muss das Gateway in die Lage versetzen, die gleichen Leistungsstandards zu erfüllen wie das 5G-Netzwerk selbst.

Anforderungen an die Betriebslebensdauer

Die Austauschrate von Systemen rechnen viele Branchen in Jahrzehnten. Die Kosten ungeplanter Ausfallzeiten können beträchtlich sein. Daher müssen die installierten Gateways über viele Jahre hinweg mit der gleichen Service-Qualität und Zuverlässigkeit arbeiten. Halbleiterhersteller verwenden Designregeln, Leistungsanalysen, Simulationen und beschleunigte Lebensdauertests, um das Verhalten eines Geräts und die Auswirkungen von Umweltfaktoren zu quantifizieren. Auf diese Weise kann der Hersteller die Betriebslebensdauer unter bestimmten Bedingungen genau angeben.

Wenn Geräte für die Verwendung durch Verbraucher konzipiert und charakterisiert sind, geht man davon aus, dass sie nur ein paar Stunden pro Tag aktiv sind und eine Lebensdauer von zum Beispiel fünf Jahren bei normalen Raumtemperaturen haben. Dies ist ein großer Unterschied zu einem industriellen Bauteil, das für einen 24-Stunden-Betrieb an sieben Tagen in der Woche für mindestens zehn Jahre in einem breiteren Spektrum von Umgebungsbedingungen spezifiziert ist. Industrielle Halbleiter sind in der Regel für einen Betriebstemperaturbereich von -40 bis 85 °C qualifiziert.


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