Bộ nhớ: Một thách thức trên con đường đến Công nghiệp 4.0

Công nghiệp 4.0 là gì?

Công nghiệp 4.0, đồng nghĩa với sản xuất thông minh, là hiện thực hóa quá trình chuyển đổi số trong lĩnh vực này, mang lại khả năng ra quyết định theo thời gian thực, nâng cao năng suất, tính linh hoạt và nhanh nhẹn để cách mạng hóa cách thức các công ty sản xuất, cải tiến và phân phối sản phẩm của họ.

Bộ nhớ dữ liệu là một trong những thách thức cấp bách nhất đối với Công nghiệp 4.0. Tuy nhiên, xét đến bản chất phát triển của Công nghiệp 4.0 và các giải pháp bộ nhớ liên quan, một số xu hướng dựa trên bộ nhớ đang trở nên rõ ràng.

Việc tích hợp công nghệ số hiện đại vào các cơ sở công nghiệp đang phát triển nhanh chóng trên toàn thế giới—nhưng không phải là không có thách thức. Một trong những vấn đề chính liên quan đến Công nghiệp 4.0 nằm ở khả năng xử lý dữ liệu ở quy mô và thông lượng cao hơn đáng kể theo cách đáng tin cậy, không có lỗi.

Công nghiệp 4.0

Công nghiệp 4.0 là nhãn hiệu được chấp nhận chung cho cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ tư, bao gồm một số đặc điểm như phát triển và áp dụng rộng rãi tự động hóa quy trình, thu thập dữ liệu mở rộng, giao tiếp giữa máy với máy và phân tích dữ liệu nâng cao. Ngoài ra còn có trí tuệ nhân tạo cục bộ (cấp máy) và ra quyết định tại biên thay vì tại một vị trí tập trung.

Bộ nhớ: Rào cản trên con đường đến Công nghiệp 4.0

Dữ liệu là khía cạnh quan trọng nhất của Công nghiệp 4.0 vì việc truy xuất, xử lý, truyền thông, lưu trữ và tính khả dụng của dữ liệu là rất quan trọng đối với những gì làm cho Công nghiệp 4.0 trở nên khả thi. Ví dụ, hãy xem xét cách các cảm biến tạo ra lượng dữ liệu khổng lồ để ghi lại và xử lý theo thời gian thực.

Dữ liệu cảm biến đi qua các bộ điều khiển công nghiệp hiện đại và các thiết bị hiện trường, tương tác với ba loại bộ nhớ trong hệ thống: flash, RAM mở rộng và RAM ghi dữ liệu. Bộ nhớ là một trong những thách thức cấp bách nhất cần vượt qua trên con đường đến Công nghiệp 4.0.

Nhu cầu bộ nhớ ứng dụng trong thế giới thực

Nhiều hệ thống công nghiệp sử dụng nhiều bộ nhớ ngoài khác nhau để thực hiện các chức năng khác nhau. Các hệ thống nhúng phổ biến trên sàn nhà máy bao gồm bộ điều khiển logic lập trình (PLC), bộ truyền động động cơ servo, máy CNC và rô bốt công nghiệp.

Các hệ thống này thường bao gồm các khối xây dựng sau (xem Hình 2), bao gồm bộ xử lý ứng dụng, một số thiết bị ngoại vi I/O, kết nối có dây và không dây, cảm biến và bộ chuyển đổi, và ba loại bộ nhớ khác nhau.

Các hệ thống công nghiệp như PLC sử dụng thiết bị bộ nhớ flash ngoài, thường có kích thước lên tới 256 Mbit để lưu trữ mã khởi động. Các bộ nhớ này cần hỗ trợ hiệu suất đọc rất nhanh và các tính năng như eXecute-in-Place (XiP), do đó hệ thống có thể thực thi mã trực tiếp từ bộ nhớ flash NOR mà không cần phải sao chép mã vào RAM.

RAM ghi dữ liệu hỗ trợ khả năng ghi dữ liệu cảm biến và I/O thời gian thực với tốc độ cực nhanh trong khi vẫn có thể thu thập dữ liệu quan trọng ngay lập tức khi mất điện. Hầu hết các hệ thống công nghiệp phải liên tục và chính xác ghi dữ liệu trong suốt vòng đời 15 năm khi hoạt động trong môi trường khắc nghiệt.

Công nghiệp 4.0 dựa vào dữ liệu liên tục để ngăn ngừa lỗi trước khi chúng xảy ra và giảm thiểu thời gian ngừng hoạt động của hệ thống—một quy trình được gọi là bảo trì dự đoán. Các giải pháp RAM cho loại bộ nhớ này cần thực hiện hàng triệu thao tác đọc/ghi trong suốt vòng đời của sản phẩm một cách đáng tin cậy và chính xác.

Ngoài ra, hãy lưu ý rằng môi trường khắc nghiệt sẽ bao gồm nhiệt độ khắc nghiệt, thường gây khó khăn cho một số loại bộ nhớ nhất định.

Bộ xử lý bên trong, chẳng hạn như vi điều khiển hoặc FPGA, có thể không có đủ SRAM bên trong để thực hiện các thuật toán phức tạp và lưu trữ dữ liệu thời gian chạy hệ thống tạm thời. Các hệ thống công nghiệp 4.0 hiện đại sử dụng RAM mở rộng để tăng cường RAM bên trong hạn chế, như một bộ nhớ scratchpad tốc độ cao để chạy các ứng dụng của người dùng một cách liền mạch.

Một rô-bốt công nghiệp hoặc hệ thống thị giác máy bao gồm một màn hình và sử dụng RAM mở rộng để đệm các khung hình ảnh cho màn hình đồ họa. Chúng cũng yêu cầu một giao diện bộ nhớ ngoài IP được tối ưu hóa và một giải pháp có số lượng chân thấp để giảm độ phức tạp của thiết kế và tối ưu hóa công suất hệ thống.

Thách thức về bộ nhớ Flash

Công nghệ NOR Flash chịu trách nhiệm lưu trữ mã khởi động và dữ liệu. Nó phải có độ tin cậy cao, cung cấp tính an toàn và bảo mật tuyệt vời, đồng thời đáp ứng các yêu cầu nghiêm ngặt của ngành khi được sử dụng như một phần của công nghệ Công nghiệp 4.0. Một thách thức khác đối với bộ nhớ flash NOR liên quan đến khả năng duy trì chức năng trong môi trường nhiệt độ khắc nghiệt thường gặp ở nhiều hệ thống công nghiệp.

Thách thức về RAM mở rộng

Các thiết kế nhúng thực hiện các ứng dụng sử dụng nhiều RAM đòi hỏi lượng lớn dung lượng lưu trữ tạm thời để đệm dữ liệu và thường phụ thuộc vào DRAM làm bộ nhớ mở rộng. Mặc dù DRAM cung cấp khả năng mở rộng và hiệu suất cao, nhưng chúng cũng liên quan đến mức tiêu thụ điện năng cao hơn, thiết kế phức tạp hơn và chiếm nhiều diện tích PCB hơn.

Thách thức về RAM ghi dữ liệu

Hình 3 cho thấy lượng dữ liệu khổng lồ từ nhiều cảm biến, thiết bị và quy trình được tạo ra mỗi giây trong môi trường sản xuất thông minh. Do đó, một khía cạnh thiết yếu của bộ nhớ ghi dữ liệu liên quan đến việc thu thập và duy trì sao lưu dữ liệu ngay lập tức trong trường hợp mất điện.

Giải pháp phổ biến nhất để ghi dữ liệu trong các hệ thống tự động hóa công nghiệp cũ là SRAM được hỗ trợ bằng pin (BBSRAM), trong đó SRAM công suất thấp thông thường được đóng gói với pin và mạch giám sát nguồn bổ sung để tạo ra bộ nhớ không biến động.

Tuy nhiên, có những vấn đề tiềm ẩn với việc bảo trì và thay thế pin, lỗi bit do thiết bị điện từ hoặc bức xạ vũ trụ gây ra và sự phức tạp trong thiết kế từ mạch giám sát bổ sung. Việc sử dụng pin trong thiết kế dẫn đến những lo ngại về độ tin cậy; do đó, các kỹ sư tìm cách loại bỏ việc thải bỏ pin, tăng cường tuân thủ RoHS và giảm việc bảo trì pin.

Xu hướng bộ nhớ trong tương lai

Do bản chất phát triển của Công nghiệp 4.0 và các giải pháp bộ nhớ liên quan, một số xu hướng dựa trên bộ nhớ đang trở nên rõ ràng.

Xu hướng hướng đến hiệu suất cao hơn

Các hệ thống công nghiệp 4.0 hiện đại sẽ yêu cầu bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên hiệu suất cao hơn mà không gây ra độ trễ. Khi lượng dữ liệu đến tăng lên, cần có nhiều truy cập ngẫu nhiên hơn để có hiệu suất tốt hơn. Hơn nữa, các truy cập này phải tức thời (ở tốc độ bus) và phải đạt được mà không cần chi phí truy cập trang và độ bền hạn chế.

Xu hướng hướng đến mật độ cao hơn

Khi ngày càng có nhiều cảm biến được tích hợp vào các hệ thống công nghiệp và ngày càng có nhiều I/O từ xa phải giao tiếp với bộ điều khiển trung tâm, sẽ có sự gia tăng lớn về dữ liệu được tạo ra. Dữ liệu này phải được lưu trữ cục bộ để xử lý và bảo trì dự đoán nhằm giảm thiểu thời gian ngừng hoạt động của hệ thống.

Khi quy mô dữ liệu cảm biến được tạo ra ở biên tăng lên, cần có bộ nhớ không dễ bay hơi có mật độ cao hơn để ghi lại dữ liệu này theo thời gian thực. Tương tự như vậy, các hệ thống công nghiệp 4.0 phức tạp hơn đòi hỏi bộ nhớ Flash NOR có mật độ cao hơn để lưu trữ dữ liệu hệ thống và mã.

Hiện tại, Infineon cung cấp tới 16 Mbit dung lượng lưu trữ RAM không dễ bay hơi với F-RAM và nvSRAM, trong khi ULP SRAM có dung lượng lên tới 64 Mb. Công nghệ MIRRORBIT độc quyền của Infineon tăng gấp đôi số bit trên mỗi ô cho bộ nhớ Flash NOR mật độ cao.

Xu hướng hướng đến độ tin cậy cao hơn

Công nghiệp 4.0 đòi hỏi hoạt động mạnh mẽ trong điều kiện môi trường cực kỳ khó khăn. Ghi dữ liệu đáng tin cậy là cần thiết để đảm bảo khôi phục liền mạch khi mất điện và hạn chế thời gian ngừng hoạt động của các hệ thống công nghiệp.

Ngoài ra, nhiễu điện từ (EMI) phát sinh từ động cơ hoạt động trên sàn nhà máy có thể ảnh hưởng đến nội dung của bộ nhớ được sử dụng trong các hệ thống công nghiệp. Bộ nhớ F-RAM và nvSRAM của Infineon không bị ảnh hưởng bởi nhiễu từ trường và nằm trong số các bộ nhớ ghi dữ liệu đáng tin cậy nhất trong ngành.

Với việc tích hợp các tính năng bảo mật trong các hệ thống thế hệ tiếp theo, các nhà sản xuất yêu cầu các thành phần bảo mật phần cứng trong bộ nhớ lưu trữ mã để bảo vệ chống lại các mối đe dọa mạng và ngăn chặn hành vi giả mạo trong thời đại công nghiệp 4.0.

Bộ nhớ Flash SEMPER Secure NOR thế hệ mới nhất của Infineon cung cấp gốc tin cậy bất biến để khởi động an toàn và quản lý khóa để cho phép cập nhật chương trình cơ sở từ xa—được bảo mật từ đám mây đến bộ nhớ.

Vai trò ngày càng phát triển của các giải pháp bộ nhớ công nghiệp trong sản xuất thông minh và công nghiệp 4.0

Khi chúng ta đứng trên bờ vực của một cuộc cách mạng công nghiệp mới, điều bắt buộc là phải hiểu những chuyển đổi năng động đang định hình lại bối cảnh sản xuất. Cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ tư, hay Công nghiệp 4.0, được đặc trưng bởi sự tích hợp các công nghệ kỹ thuật số vào quy trình sản xuất, dẫn đến việc tạo ra các ‘nhà máy thông minh’.

Trung tâm của sự thay đổi mô hình này là Giải pháp bộ nhớ công nghiệp, những anh hùng thầm lặng của cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 dựa trên dữ liệu.

Vai trò của các giải pháp này đã phát triển từ lưu trữ dữ liệu đơn thuần thành xương sống của tự động hóa thông minh và phân tích dữ liệu thời gian thực. Chúng là nền tảng của các hoạt động quan trọng như ghi dữ liệu, kiểm soát quy trình, giám sát hệ thống và thuật toán học máy cho phép bảo trì dự đoán, kiểm soát chất lượng và tối ưu hóa chuỗi cung ứng.

Khi chúng ta điều hướng qua địa hình thú vị này, điều cần thiết là phải hiểu được sự phức tạp của các giải pháp bộ nhớ này và tác động của chúng đối với toàn bộ ngành trong công nghiệp 4.0.

Nếu bạn cần thiết bị lường đo điện chính hãng, uy tín

Lidinco là công ty cung cấp các loại thiết bị đo lường điện uy tín nhập khẩu trực tiếp với giá cạnh tranh. Các sản phẩm đều được bảo hành theo chính sách hãng, tư vấn kỹ thuật tận tình.

Ngoài ra, Lidinco còn cung cấp các loại thiết bị phân tích, đo lường viễn thông, vật tư nhà máy, công nghiệp, thiết bị giáo dục, thiết bị SMT và các loại thiết bị chuyên dụng khác.

Công Ty TNHH Đầu Tư Phát Triển Cuộc Sống
Địa chỉ: 487 Cộng Hòa, Phường 15, Quận Tân Bình, TPHCM, Việt Nam
Điện thoại: 028 3977 8269 / 028 3601 6797
Di động: 0906 988 447
Email: sales@lidinco.com

Xem thêm: Động cơ DC hoạt động như thế nào?