Przemysłowe pamięci Flash - szybkie i niezawodne

Karty pamięci i przemysłowe dyski SSD bardzo zyskały w ostatnich latach na popularności. Aktualnie w ten rodzaj nośników danych wyposaża się już nie tylko urządzenia przenośne, lecz także komputery stacjonarne oraz serwery oraz sprzęt przemysłowy. W odróżnieniu od wersji konsumenckich pamięci te charakteryzują się dużą niezawodnością i wytrzymałością na trudne warunki pracy.

Aby takie właściwości uzyskać, wdraża się w nich różne rozwiązania sprzętowe i programowe ograniczające wpływ czynników zewnętrznych na możliwość zapisu i odczytu danych oraz ich integralność. Oprócz wzmocnienia konstrukcji 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. Producenci takich pamięci implementują i wdrażają w nich wiele nierzadko unikalnych technologii odpowiedzialnych za jakość i niezawodność. Za realizację tych funkcji w dużej mierze odpowiedzialny jest kontroler dysku zarządzający jego pracą.

SSD VS. HDD

Jedną z ważniejszych zalet dysków SSD jest brak ruchomych części mechanicznych. Dzięki niej m.in. dyski SSD działają szybciej od dysków magnetycznych, w których występują opóźnienia w dostępie do danych spowodowane koniecznością rozruchu ich elektromechanicznych podzespołów. Są również odporniejsze na drgania, uderzenia i upadki, w efekcie czego ich MTBF jest kilka razy dłuższy niż w przypadku dysków HDD.

Ponadto dyski SSD zużywają mniej energii elektrycznej niż HDD, które potrzebują jej więcej do zasilenia silników napędzających dysk i głowice. W rezultacie dyski magnetyczne krócej pracują na zasilaniu bateryjnym oraz silniej się nagrzewają. Przez to ostatnie potrzebują one wentylatora, który zwiększa ich koszt, wagę, pobór energii, awaryjność i głośność.

Z drugiej strony komórki pamięci półprzewodnikowych mają skończoną żywotność. To oznacza, że mogą być zapisywane i odczytywane określoną liczbę razy, zanim przeprowadzenie takich operacji stanie się niemożliwe. Przyczyną tego ograniczenia jest specyfika mechanizmu zapisu danych.

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 pamięcią 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.

Każdą operację zapisu nowych informacji poprzedza skasowanie dotychczasowej zawartości komórek. W wyniku często powtarzających się cykli gromadzenia i usuwania ładunku z bramki pływającej w cienkiej warstwie izolatora oddzielającej bramkę pływającą od bramki sterującej powstają defekty. Gromadzą się w nich ładunki. Łatwiej również te ostatnie mogą wówczas przepływać do albo z niej odpływać.

Typowo żywotność pamięci typu NAND SLC wynosi 100 tys. cykli kasowania/zapisu, a pamięci typu NAND MLC - 10 tys. takich cykli. Po przekroczeniu tych wartości pewny oraz bezbłędny zapis oraz odczyt informacji nie jest już zagwarantowany. Dlatego w dyskach SSD implementuje się rozwiązania, które mają na celu wydłużenie czasu ich pracy, jak odśmiecanie i równoważenie zużycia.

Za wykonanie powyższych zadań i nie tylko, bo implementuje się również wiele innych technik, które mają na celu zwiększenie żywotności oraz eliminowanie błędów danych w dyskach SSD (m.in. zarządzanie uszkodzonymi blokami oraz kodowanie korekcyjne), odpowiada kontroler. Spełnia on również drugą, równie ważną funkcję, umożliwiając komunikację pomiędzy dyskiem półprzewodnikowym, a systemem nadrzędnym.

Kontroler dysku SSD to kluczowy komponent, którego część sprzętowa oraz oprogramowanie firmware powinny być wysoce zindywidualizowane oraz ściśle ze sobą powiązane. Wprawdzie od strony sprzętowej do jego budowy korzysta się ze standardowych bloków, takich jak na przykład CPU czy interfejsy, jak UART, lecz to oprogramowanie firmware determinuje najważniejsze cechy użytkowe kontrolera dysku SSD.

DYSKI SSD - FORMATY I ZASTOSOWANIA

 

Przegląd ofert dostawców przemysłowych pamięci Flash

Dyski SSD dostępne są w formatach tradycyjnych magnetycznych dysków HDD, czyli: 5,25", 3,5", 2,5" i 1,8". Największe z nich, 5,25-calowe, nie są szeroko używane, przede wszystkim korzysta się z nich w zastosowaniach specjalistycznych, natomiast z najmniejszych, 1,8-calowych, na przykład w ultrabookach. 3,5-calowe dyski SSD są instalowane w komputerach stacjonarnych, natomiast dyski 2,5-calowe w laptopach. Dyski w rozmiarach 2,5" oraz 3,5" są najpopularniejsze, dzięki rozmiarowi pasują bowiem jako zamienniki dysków HDD.

W systemach wbudowanych w przemyśle wykorzystuje się także dyski półprzewodnikowe m.in. w znanym od lat 90. zeszłego wieku formacie Disk-On-Module (DOM) i formacie MO-300. SSD drugiego typu mają wymiary 50,8 × 29,85 mm i są wyposażone w złącze mini-SATA (mSATA).

Mimo podobieństwa tego ostatniego do interfejsu Mini PCI Express, nie są one zgodne, dlatego kart pamięci obu typów domyślnie nie można używać zamiennie. W przemyśle używa się oprócz tego SSD w formacie MO-297 (slim SATA, inaczej half slim SATA) o wymiarach 39,8 × 54 mm, ze złączem takim, w jakie wyposaża się 2,5-calowe dyski SATA SSD.

W 2012 roku wprowadzono nowy format, początkowo pod nazwą Next Generation Form Factor (NGFF), którą później zmieniono na M. 2. Poza przemysłem SSD w tym rozmiarze montuje się także w ultrabookach i tabletach. Typowo dyski półprzewodnikowe w formacie M.2 mają wymiary 22 mm × 30 mm, chociaż specyfikacja dopuszcza wiele innych rozmiarów oraz złącza SATA lub PCIe.

Prezentacje przykładowych firm powiązanych z tematyką tej analizy znajdują się na stronie: