【CS创世SD NAND征文】存储芯片在工业电表中的应用与技术演进
【CS创世SD NAND征文】存储芯片在工业电表中的应用与技术演进
- 1.工业电表的市场背景
- 2.技术方案分析
- 3.核心技术特性
- 3.1.主控芯片：APM32F465VET6
- 3.3.存储芯片：CSNP4GCR01-DPW
- 3.3.1. 基本概述
- 3.3.2. 核心特性
- 3.3.3. 优势特点
- 3.3.4 四大管理算法
- 4.存储芯片性能实测
- 4.1.读写性能
- 测试数据为64MiB
- 测试数据为128MiB
- 4.2.参数说明
- 1. SEQ1M Q8T1
- 2. SEQ1M Q1T1
- 3. RND4K Q32T1
- 4. RND4K Q1T1
- 4.3 数据总结
- 5.行业展望
1.工业电表的市场背景
近年来，工业电表市场正加速从传统计量设备向智能化、网络化方向升级。根据行业研究数据显示，2022年全球智能电表市场规模已达到约120亿美元，并呈现持续增长态势，预计到2028年将突破180亿美元，年均复合增长率（CAGR）显著。这一增长主要受全球智能电网建设、工业4.0推进及碳中和政策驱动，其中工业领域的高精度智能电表需求尤为突出。
市场现状：
- 智能化渗透：工业场景中，支持物联网（IoT）和远程监控的智能电表占比快速提升。
- 能效管理需求：企业对用电数据的实时分析需求推动高端工业智能电表普及。
- 区域差异：欧美市场以存量替换为主，亚太地区（尤其中国）因新能源项目加速成为增长主力。
2.技术方案分析
在工业控制设备的设计中，极海半导体的APM32工业级微控制器因其出色的性能和稳定性被广泛采用。极海主控芯片配置强劲，功耗低，能保障设备长时间稳定运行。其丰富的外设接口，如UART可实现与其他模块的串行通信，SDIO、SPI、I2C接口方便接入各类传感器与执行模块，极大拓展了设备功能。
传统方案中，大容量存储一般都是使用TF卡或SD卡的方案。但是工业设备的使用场景具有高振动、温度变化大、长时间连续运行等特点，这就对存储方案的可靠性有了更高的要求。由于TF卡属于可插拔式接口，在工业场景下极易因振动造成接触不良，导致数据丢失或系统故障。在我们这个方案中，将TF卡的方案替换为了CS创世SD NAND，SD NAND芯片是出厂时直接焊接到电路板上的，从根本上解决了接触不良的问题。
| 功能 | CS品牌SD NAND | TF |
|---|---|---|
| 生产便利可靠性 | 可SMT机贴，生产直通率高;焊接牢固 | 只能手工焊接;生产效率低;T卡和卡座之间容易脱落 |
| 尺寸大小 | 6*8mm，占用面积仅为使用TF卡四分之一;无结构件，容易实现防水，小巧的产品 | 配合卡座占用面积:13*15mm占用面积大，且不好做防水 |
| 产品定位 | 定位核心存储芯片;内置在PCB板上;要求高可靠性，高一致性;对芯片良率要求很高 | 定位消费类产品的外置模组;可用即可;出现不良通过换货解决 |
| 内部晶圆 | 内部使用原厂SLC NAND晶圆擦写寿命可达5-10万次，是TLCNAND的100-200倍 | 大部分使用TLC NAND，擦写寿命只有500次左右，而且市面上产品质量参差不齐，混杂使用Down Grade甚至ink Die;擦写寿命更低 |
| 使用材质 | 芯片内部使用芯片级黑胶体，邦线，基板，与TF卡使用材质完全不同 | 只测试基本功能 |
| 出厂标准差异 | 出厂标准严苛,需要通过高温回流焊，随机掉电，高低温冷热冲击等测试 | 只要能满足SD协议即可。对内部晶圆，控制，固件不做特别要求，发生变更不会通知客户 |
| 一致性 | 一致性高;统一的晶圆，统一的控制器和固件;如果发生变更会及时通知客户 | 只要能满足SD协议即可。对内部晶圆，控制，固件不做特别要求，发生变更不会通知客户 |
经过一系列市场调研和技术分析，最终我们选用了创世SD NAND：CSNP4GCR01-DPW作为我们的存储芯片，它可以通过SPI/SD接口直连极海主控芯片。此外它支持免驱动，接上就能使用，内置的坏块管理程序可确保数据安全存储，完美切合我们的产品需求。
该存储芯片采用工业级工艺，LGA-8封装，尺寸仅6x8mm，内置SLC晶圆，擦写寿命高达10万次，并通过1万次随机掉电测试，支持温度范围-40°C~85°C。读写速度快，完全满足工业设备的数据存储需求。标准的SD 2.0协议使得用户可以直接移植标准驱动代码，省去了驱动开发环节。支持TF卡启动的SOC都可以直接使用该SD NAND，并提供STM32参考例程及原厂技术支持。
此外，设备还配备各种工业接口模块，负责数据采集、信号处理等功能；显示模块在主控芯片控制下呈现设备状态信息；各类传感器实时采集现场数据给主控芯片，处理后的关键数据存至存储芯片长期保存。
在选型时，极海主控芯片的高性能与丰富资源契合工业设备需求，CSNP4GCR01-DPW SD NAND的小巧尺寸、工业级可靠性及4Gb大容量，与主控芯片完美配合，构建出稳定高效的技术方案，为工业设备可靠运行提供坚实保障。相比传统TF卡更稳定，比eMMC更具成本优势，是工业存储应用的理想选择。
3.核心技术特性
3.1.主控芯片：APM32F465VET6
极海APM32工业级微控制器：APM32F465VET6作为核心控制单元，基于 Arm® Cortex®-M4F 内核打造，专为高可靠的工业级嵌入式存储场景优化。其 168M主频结合SD/eMMC接口，可实现sd nand存储芯片的持续读写速度，确保工业级数据吞吐效率。
3.3.存储芯片：CSNP4GCR01-DPW
3.3.1. 基本概述
- 型号：CSNP4GCR01-DPW
- 类型：NAND FLASH（兼容SD协议的贴片式TF卡）
- 容量：4Gb（512MB）大容量。
- 封装：LGA-8（常见为8引脚，紧凑型设计，适合空间受限场景）。
3.3.2. 核心特性
- 接口协议：
- 兼容SD 2.0标准，支持SPI模式或SD模式，便于与主流MCU连接。
- 存储介质：
- 采用SLC NAND，提供高可靠性和均衡擦写寿命。
- 性能参数：
- 读写速度典型值约10-20MB/s（依赖主控和接口模式）。
- 擦写次数：通常10万次以上（SLC方案更优）。
- 内置控制器：
- 集成Flash管理功能（坏块处理、ECC纠错、磨损均衡），简化开发。
3.3.3. 优势特点
-
免驱动：
即贴即用，直连SD/SPI接口即可使用，已内置Flash管理程序 -
可贴机：
生产效率高/焊接稳定，LGA-8封装，机贴手贴都方便 -
小尺寸：
尺寸小巧(6*8mm)，助力产品颜值提升 -
擦写寿命长：
擦写寿命长(内置SLC晶圆，擦写寿命可达5-10万次，为嵌入式而生) -
稳定可靠：
稳定可靠:已通过10k次随机掉电高低温冲击测试。内置FW包含平均读写，坏块管理，垃圾回收等处理机制
3.3.4 四大管理算法
-
平均读写算法：
NAND Flash的块存在擦写寿命的限制。在有擦写动作时，SDNAND会调用平均读写算法，避免只擦写某一部分物理块。从而达到整体物理块的可用寿命一致。提高SDNAND整体使用寿命和稳定性。 -
自带校验算法：
NAND Flash在存储数据时存在位反转和位偏移现象。因此数据在写入NAND Flash后需加上校验位。当数据出现错误时，SDNAND先会调用错误探测算法(EDC)发出提示，然后调用错误纠正算法(ECC)对错误数据进行修复。 -
电荷散射算法：
NAND Flash如果对集中的物理块进行擦写动作，产生的强电场会影响到周边的块。SDNAND采用均衡电荷散射算法，可以把擦写的块在物理上均匀分布，电场相互抵消，降低擦写操作对周边块的影响。 -
垃圾回收算法：
NAND Flash在更新数据时，新数据会写入到空白块中，存储旧数据的块会被标识为垃圾。随着”垃圾数据”的日积月累，SDNAND会主动将有效数据块搬移，然后执行整个垃圾块擦除以回收空间。
4.存储芯片性能实测
本次实测，使用的雷龙发展官方提供的测试板，搭载的芯片是CSNP4GCR01-DPW：一颗标称容量为512MB的工业级贴片式TF芯片。
4.1.读写性能
由于工业电表对于读写性能要求还是比较高的。在收到测试板后，第一时间进行了读写性能测试。
测试数据为64MiB
测试数据为128MiB
4.2.参数说明
CrystalDiskMark 是一款常用的磁盘性能测试工具，其测试项目中的参数含义如下：
1. SEQ1M Q8T1
- SEQ（Sequential）：顺序读写，测试磁盘连续读写大文件时的性能（模拟大文件传输场景）。
- 1M：测试使用的数据块大小为 1MiB（1,048,576字节）。
- Q8T1：
- Q8（Queue Depth 8）：队列深度为 8，表示同时发起 8 个 I/O 请求。
- T1（Thread 1）：单线程测试。
- 意义：反映硬盘在高队列深度、顺序读写场景下的性能（如拷贝大型视频文件）。
2. SEQ1M Q1T1
- 参数与上述相同，但：
- Q1（Queue Depth 1）：队列深度为 1（单次 I/O 请求）。
- 意义：测试硬盘在无并发请求、顺序读写时的性能（更接近日常单任务场景，如加载游戏或启动系统）。
3. RND4K Q32T1
- RND（Random）：随机读写，测试磁盘处理小文件、零散数据的能力（模拟操作系统或数据库场景）。
- 4K：测试使用的数据块大小为 4KiB（4,096字节，常见于系统小文件操作）。
- Q32T1：
- Q32：队列深度为 32（高强度并发请求）。
- T1：单线程。
- 意义：反映硬盘在高并发随机小文件读写下的性能（如数据库、虚拟机运行）。
4. RND4K Q1T1
- 参数与上述相同，但：
- Q1：队列深度为 1（单次请求）。
- 意义：测试硬盘在无并发、随机小文件读写时的性能（如日常轻量使用场景）。
| 测试项 | 数据块 | 读写类型 | 队列深度 | 线程数 | 典型应用场景 |
|---|---|---|---|---|---|
| SEQ1M Q8T1 | 1MiB | 顺序 | 8 | 1 | 大文件连续读写（视频编辑） |
| SEQ1M Q1T1 | 1MiB | 顺序 | 1 | 1 | 单任务大文件传输 |
| RND4K Q32T1 | 4KiB | 随机 | 32 | 1 | 高负载数据库/多任务小文件 |
| RND4K Q1T1 | 4KiB | 随机 | 1 | 1 | 日常系统操作（开机/启动软件） |
4.3 数据总结
从测试结果可以看到：
- CSNP4GCR01-DPW的顺序读可以达到23MB/s左右，顺序写也可以达到18MB/s上下。
- CSNP4GCR01-DPW的随机读可以突破6MB/s，随机写也可以达到4MB/s以上。
总的来说，这颗芯片的读写速度还是非常优秀的，完全可以满足电表集中器的存储需求。
5.行业展望
工业电表正站在智能化与可持续发展的交汇点上。随着工业4.0、智能电网和碳中和政策的加速落地，电表的功能将从单纯的计量工具进化为能源管理的核心枢纽。未来，边缘计算、AI算法和物联网技术的深度集成将推动电表实现数据实时分析、远程运维和碳足迹追踪等能力。同时，高可靠性存储方案（如雷龙的CSNP4GCR01-DPW）和高性能主控芯片（如极海APM32F465VET6）的普及，尤其是工业级的存储解决方案，是确保设备在复杂工业环境下的稳定运行的重中之重，将会为工业数字化转型提供坚实基础。主要体现在三大方向：
- 数据安全与稳定性：工业场景需应对高温、振动、电磁干扰等极端条件，传统插拔式存储因接触不良导致的故障率难以满足需求，而贴片式SLC NAND通过固态封装、内置坏块管理算法，将可靠性提升至工业级标准（10万次擦写寿命）。
- 实时性与容量升级：工业电表需长期存储高频采集的用电数据（如电压、电流、谐波等），并支持远程传输与AI分析。未来存储芯片将向大容量（GB级）、低延迟（支持随机读写4MB/s以上）方向发展，同时兼容高速接口（如SD 3.0或UHS-I）。
- 国产化替代加速：本土厂商在SLC NAND领域实现技术突破，逐步替代海外品牌，推动供应链自主可控。预计到2028年，工业存储芯片国产化率将显著提升，降低设备成本。
未来，工业存储芯片的竞争将聚焦于长寿命SLC NAND的工艺优化（如提升晶圆良率）、嵌入式管理算法创新（如动态磨损均衡、智能纠错）以及定制化封装设计（适应工业设备小型化需求）。随着亚太地区新能源项目和制造业升级的推进，工业存储芯片市场有望以年均15%以上的增速增长，成为半导体产业中最具潜力的细分赛道之一。
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