Czas na komputery jednopłytkowe oraz przemysłowe pamięci Flash

Komputery open source

Przełomowym momentem dla rynku komputerów jednopłytkowych było pojawienie się platform open source, a dokładnie komputerka Raspberry Pi. Był on bardzo tani, nieźle wyposażony, dostępny dla każdego oraz dobrze udokumentowany. RPI wszedł przebojem na rynek, bo miał rewelacyjny stosunek ceny do możliwości.

Główne branże i odbiorcy komputerów jednopłytkowych

Komputery jednopłytkowe trafiają przede wszystkim do aplikacji przemysłowych i służą do automatyzacji i komputeryzacji instalacji i systemów w takich zastosowaniach. Korzystają z nich też producenci OEM/ODM tworzący w oparciu o nie swoje produkty. Trzecia pozycja grupuje zastosowania transportowe, gdzie małe komputerki są podstawą wielu systemów i instalacji. Istotną pozycję zajęły też zastosowania reklamowe, które od zawsze były postrzegane w tym obszarze jako znaczący klient, podobnie jak sektor rozrywkowy. Ten akurat okupuje dół wykresu, co jest znakiem, że ten sektor rynku ma już w kraju najlepsze czasy za sobą.

Sukces RPI wywołał na rynku prawdziwą gorączkę złota, a kolejne platformy zaczęły wyrastać jak grzyby po deszczu. Aktualnie grupa najpopularniejszych liczy minimum kilkanaście pozycji, a całość nawet kilkadziesiąt. Najtańsze komputerki kosztują poniżej 10 dolarów! W tworzenie i promocję takich rozwiązań zaangażowały się największe światowe firmy dystrybucyjne, dzięki czemu całość nie była jedynie chwilowym zainteresowaniem grup społeczności lub fundacji.

Tabela 2. Dane kontaktowe do firm - dostawców pamięci Flash przemysłowych i komputerów jednopłytkowych

Do wymienionego Raspberry Pi należy dodać BeagleBone, BananaPi, OrangePi, HummingBoard, Gizmo lub Odroid. Do tej grupy można też dopisać wiele platform mniej otwartych, ale o podobnym charakterze i przeznaczeniu jak Galileo, Wandboard, UP Board i inne. Efekt jest taki, że komputery tego typu trwale zmieniły rynek i stworzyły nową kategorię użytkowników, makerów, czyli takich hobbystów nowej generacji.

Ważne parametry techniczne wspierające sprzedaż

Komputery jednopłytkowe mają różne wyposażenie - poza procesorem i pamięcią różnią się m.in. interfejsami, wymiarami, poborem mocy, możliwościami graficznymi, a także odpornością mechaniczną i środowiskową. W najnowszej ankiecie za najważniejszą funkcjonalność uznano możliwości komunikacyjne, a także niezawodność konstrukcji komputera. Warto zauważyć, że chłodzenie pasywne i niewielka wartość pobieranej mocy (w tym parametr TDP procesora) nie są już postrzegane jako atut i znajdują się na dole wykresu. To zapewne dlatego, że chłodzenie pasywne jest już standardem, a pobierana przez komputery moc jest znacznie mniejsza niż jeszcze parę lat temu i stale maleje razem z usprawnieniami w technologii półprzewodnikowej i nowymi, lepszymi procesorami.

Platformom open source brakuje wielu cech niezbędnych w aplikacjach przemysłowych, a więc szerokiego zakresu temperatur pracy, jakości, stabilności działania i wieloletniej dostępności, przez co ich możliwości aplikacyjne sięgają jedynie obszaru półprofesjonalnego, a więc takiego o łagodnych wymaganiach.

W praktyce wiele zastosowań z pogranicza da się za ich pomocą obsłużyć.

Kamil Ćwiertnia

product manager przemysłowych pamięci Flash w firmie CSI

Na co zwrócić uwagę, wybierając pamięć Flash do zastosowania w przemyśle?

W przemyśle najczęściej wykorzystywane są pamięci NAND Flash SLC, ponieważ charakteryzują się one niską awaryjnością i bardzo dużą liczbą cykli zapisu. Są też odporne na różnego rodzaju zakłócenia. Produkty oparte na pamięciach MLC stosowane są natomiast w aplikacjach budżetowych, gdzie pewność zapisu danych ma mniejsze znaczenie, natomiast wymagana jest duża pojemność. Ważne jest, aby określić, w jakim środowisku zostanie zastosowany dany nośnik oraz w jakim zakresie temperatur będzie pracował.

Większość producentów podaje także wartość współczynnika TBW, który określa limit zapisywanych danych pozwalający sprawdzić, jaka pojemność dysku jest potrzebna i jaki będzie czas jego pracy. Aby uniknąć nieprzewidzianych awarii, w przypadku niestabilnego zasilania warto rozważyć zastosowanie dysków z wbudowanymi kondensatorami, dzięki którym w każdych warunkach może zostać dokończony proces zapisu i nie dojdzie do naruszenia integralności danych lub kontrolera dysku.

Czy są klienci korzystający z konsumenckich pamięci Flash w aplikacjach profesjonalnych?

Ze względu na niską cenę zakupu pamięci konsumenckich, część klientów używa ich w aplikacjach przemysłowych. W pierwszym okresie użytkowania nie widać między nimi znacznej różnicy. Niestety charakteryzują się one większą awaryjnością i nie zawsze prawidłowo pracują w trudnych warunkach środowiskowych.

W takiej sytuacji okazuje się, że mogą wystąpić przestoje w produkcji, co powoduje kilkukrotnie większe koszty dla klienta niż sam zakup nośnika przemysłowego. Nie zawsze występuje też możliwość zgłoszenia reklamacji produktów z pamięciami konsumenckimi, które były wykorzystane w warunkach przemysłowych, ponieważ część producentów stosuje zapisy o ograniczonej gwarancji.

Jakie zmiany technologiczne w zakresie pamięci Flash warto zauważyć?

Na uwagę z pewnością zasługuje miniaturyzacja układów elektronicznych, w tym pamięci NAND Flash. W ciągu ostatnich kilku miesięcy następuje migracja technologii NAND z 2D do 3D. Ten trend dotyczy głównie rynku konsumenckiego, jednak ma on duży wpływ również na aplikacje przemysłowe. Niektórzy producenci pamięci profesjonalnych już wprowadzili produkty oparte na technologii 3D.

Zmiana dotyczy zwiększenia gęstości zapisu danych poprzez warstwowe ułożenie komórek pamięci. Stosuje się, nie jak do tej pory, poziome gromadzenie danych (2D), a pionowe (3D). Takie rozwiązanie pozwala na zwiększenie pojemności i wydajności przy jednoczesnym zmniejszeniu poboru energii. Do budowy tych kości stosuje się przede wszystkim pamięci 3D MLC oraz 3D TLC. Docelowo kości 3D mają być tańsze niż 2D.

Pamięci przemysłowe Flash

Tabela 3. Plan raportów "Elektronika" na najbliższe miesiące

Tak samo jak z małych komputerów przemysłowych zniknęły wentylatory, tak samo dzisiaj widać odwrót od klasycznych nośników danych, czyli napędów HDD, które zastąpiły pamięci Flash, a więc karty i dyski. W ostatnich latach dostępne pojemności nośników wzrosły na tyle, że nie ma problemu, nawet gdy trzeba przechować terabajty danych. Dyżurnym tematem jest trwałość i niezawodność zapisu, a także zakres temperatur pracy.

No i oczywiście cena, bo ona zawsze się liczy. Przemysłowe karty i dyski są sporo droższe od konsumenckich i nie jest to różnica mała. Powodem jest to, że bazują one na pamięciach SLC, w których jedna komórka przechowuje jeden bit danych, a nie kilka, mają bardziej zaawansowane kontrolery i bazują na chipach, które przeszły testy poprawności pracy w szerokim zakresie temperatur.

Sterowniki do takich zastosowań mają rozbudowane algorytmy detekcji i korekcji błędów, mechanizmy zarządzania uszkodzonymi blokami pamięci i monitorowania parametrów karty, które umożliwiają m.in. określenie stopnia jej zużycia. Niektóre rozwiązania mają też funkcje odzyskiwania danych oraz detekcji przerwy w zasilaniu lub podtrzymania zasilania.

Bardzo duży globalny wzrost popytu na pamięci półprzewodnikowe spowodowany zwiększeniem sprzedaży w parze z potężną ilością pamięci wbudowanej w smartfonach i wzrostem sprzedaży konsumenckich SSD spowodował w ostatnich latach duży wzrost cen pamięci, a także wydłużenie czasów dostaw. Oznacza to, że ograniczenia zjawiska wykorzystywania pamięci komercyjnych w zastosowaniach przemysłowych jeszcze potrwa.

Robert Magdziak

Źródłem wszystkich danych przedstawionych w tabelach oraz na wykresach są wyniki uzyskane w badaniu ankietowym przeprowadzonym wśród dostawców komputerów jednopłytkowych i pamięci Flash w Polsce.