Pamięci przemysłowe Flash

Tak 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 w tym sektorze rynku 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 opierają się 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.

Znaczenie przemysłowych pamięci Flash dla dostawców

Pamięci Flash to z reguły produkt zbyt specjalistyczny, aby firma mogła traktować go jako kluczowy dla biznesu. W większości przypadków pamięci takie sprzedają dostawcy komponentów przemysłowych, komputerów a także urządzeń komunikacyjnych i traktują je jako cenny dodatek do tego, aby móc klientowi zaoferować działającą całość. Taką równowagę można obserwować tutaj od lat i wydaje się, że dopiero upowszechnienie się aplikacji określanych jako Przemysł 4.0 może pomóc przemysłowym pamięciom zaistnieć w szerszej skali. Skoro koncepcja ta zakłada tworzenie rozproszonych instalacji pomiarowych, gromadzenie dużych ilości danych po to, aby dalej je przetwarzać i analizować, to logiczne jest, że pamięci Flash będą tutaj podstawowym nośnikiem danych z uwagi na niski pobór mocy, małe wymiary i niezawodność. Ich znaczenie na rynku musi znacząco wzrosnąć w ciągu najbliższych paru lat.

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.

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.

KARTY PAMIĘCI I DYSKI FLASH

Nośniki danych z pamięciami Flash to dyski SSD (2,5", mSATA i DOM) oraz karty pamięci takie jak CF - CompactFlash oraz nowszy CFast, SD Secure Digital. W zastosowaniach profesjonalnych używane są nośniki w specjalnym wykonaniu, które charakteryzuje szeroki zakres temperatur pracy np. od -40 do +85°C i wilgotność do 95%.

Przegląd ofert dostawców komputerów jednopłytkowych i pamięci Flash dla przemysłu

Oprócz wzmocnienia konstrukcji mechanicznej stosuje się też kontrolery z algorytmami detekcji i korekcji błędów, mechanizmami 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. Generalnie pamięci Flash dla przemysłu mają też znacznie bardziej złożone kontrolery zarządzające zapisem i zarządzaniem danych po to, aby jak najlepiej wykorzystać ograniczoną trwałość tych komórek pamięci i zapewnić najwyższą wydajność.

Obroty dostawców przemysłowych pamięci Flash

Podobnie jak w przypadku komputerów jednopłytkowych, sprzedaż pamięci Flash w wersjach przemysłowych nie jest dla firm kołem zamachowym biznesu – aż 80% firm ma roczne obroty z tych produktów poniżej 500 tys. zł, a więc niewiele, biorąc pod uwagę, że karty pamięci działające w przemysłowym zakresie temperatur i wykonane na pamięciach SLC są kosztowne, bardzo często 10-15 razy droższe od wersji konsumenckich. Oznacza to, że rynek tych produktów jest rozproszony, sprzedaje je wiele firm, przez co popyt rynku rozdziela się na wiele części. Dodatkowo wysokie ceny pamięci przemysłowych ograniczają ich aplikacje do niezbędnego minimum, często też słyszy się o wykorzystywaniu produktów konsumenckich w takich obszarach. Niemniej nadchodzący Przemysł 4.0, czyli przemysłowy IoT, wywoła wzrost popytu na przemysłowe nośniki pamięci i nawet jeśli dzisiaj ich sprzedaż jest dodatkiem, to za 3 lata być może już tak nie będzie. Dystrybutorzy podzespołów elektronicznych i komponentów automatyki coraz częściej włączają takie nośniki do ofert, traktując te działania jako inwestycję w rozwój biznesu.

Oczywiście takie przemysłowe karty i dyski są droższe od konsumenckich (m.in. z uwagi na pamięci SLC) i tym samym, podobnie jak jest to z komputerami, wiele firm próbuje te drugie wykorzystywać w poważnych zadaniach. Pozytywne jest to, że pamięci Flash szybko tanieją i rynek produktów profesjonalnych szybko się rozwija. Proces ten prowadzi w naturalny sposób do ograniczenia zjawiska wykorzystywania pamięci komercyjnych w zastosowaniach przemysłowych, ale bezsprzecznie on nadal istnieje.