Wilk Elektronik: Przemysłowe pamięci masowe

• Pamięci masowe to produkty, które na rynku są dostępne w wersjach konsumenckich przeznaczonych do sprzętu powszechnego użytku oraz jako rozwiązania przemysłowe. Jakie różnice są między tymi typami patrząc okiem elektronika?

Dyski i pamięci przemysłowe oraz wersje konsumenckie to produkty podobne do siebie, jeśli chodzi o podstawowe cechy użytkowe, jak np. pojemność, szybkość, rodzaj interfejsu SATA, PCIe czy interfejsu DRAM. Najważniejsze różnice kryją się w użytych do ich produkcji podzespołach, a więc chipach pamięci, obwodach drukowanych oraz elementach pasywnych. Płytka drukowana jest inna, wykonana w bardziej rygorystycznym procesie technologicznym gwarantującym mniejsze tolerancje parametrów i ich powtarzalność. Stosowane są kondensatory mające lepszą charakterystykę pojemnościowo- temperaturową.

Układy pamięci zaś w wersjach przemysłowych różnią się od konsumenckich, poza zakresem temperatur, także metodami selekcji, czasem obudową, które determinują ich trwałość. Dyski czy przemysłowe moduły pamięci różnią się też tym, że są zaprojektowane do pracy w wyspecyfikowanych warunkach. Takie badania dla naszych produktów Goodram Industrial wykonujemy po to, aby mieć całkowitą pewność, że te produkty nie zawiodą podczas pracy w wymagających warunkach. Podobnie jak chipy pamięci, kontroler w dyskach SSD również musi być w wersji przemysłowej, a więc pochodzić z innej kategorii produktów. Jeśli chodzi o złącza, to w naszym przypadku różnic nie ma, ale to wynika z tego, że kupujemy elementy wysokiej jakości nawet do wersji konsumenckich.

• Czy układy pamięci w wersji przemysłowej są produkowane w oparciu o ten sam proces półprzewodnikowy?

Wszystkie pamięci Flash i DRAM danego typu produkowane są w oparciu o jeden wspólny proces technologiczny. Po głównym etapie produkcji następuje selekcja, w ramach której wybiera się układy spełniające odpowiednie kryteria i dalej po przetestowaniu są one oferowane właśnie jako produkty do zastosowań profesjonalnych. Producent ma bezsprzecznie najlepszą wiedzę oraz doświadczenie i wie, które chipy będą pracować w szerokim zakresie temperatur i takie wybieramy do produkcji rozwiązań przemysłowych.

Wspomnianych grup selekcyjnych jest mnóstwo i tworzą one kategorie jakościowe właściwe dla danych zastosowań. W przypadku pamięci Flash, poza wymienionymi przemysłowymi, kolejną klasę stanowią pamięci do smartfonów, dalej te do dysków używanych w centrach danych i takie do konsumenckich dysków SSD. Z kolejnych klas wykonuje się karty pamięci, a te o podstawowych parametrach trafiają do ekonomicznych nośników USB i w każdym z wymienianych przypadków pamięci te spełniają stawiane im zadania. Moim zdaniem jednoznacznego podziału produktów na kategorie jakościowe może dokonać tylko producent komponentu Dram lub Flash, na przykład Samsung lub Kioxia, bo ma on największą wiedzę i doświadczenie na temat projektu i technologii półprzewodnikowej oraz dysponuje urządzeniami do takich badań.

Z tego powodu też jako firma postawiliśmy na ścisłą współpracę i zakup komponentów właśnie od tych dostawców i z wyłącznie klasy przemysłowej. Mamy pełne zaufanie do wskazanych producentów co do zgodności parametrów deklarowanych w specyfikacji z rzeczywistymi cechami produktu. Poza tym są to czołowi producenci na rynku, z ogromnym potencjałem technologicznym i doświadczeniem. Wytwarzane przez nich pamięci nie tylko trzymają parametry, ale według naszych badań mają one spory zapas.

• Czy niska temperatura jest problemem w produktach przemysłowych?

Dla układów pamięci nie temperatura jest problemem, ale jej nagłe zmiany. Duże znaczenie ma tu montaż i dobór materiałów, ponieważ absorbcja wilgoci i nagłe zmiany temperatury mogą powodować pękanie połączeń lutowanych.

• Czy projekt układu dysku SSD jest unikatowy dla danego producenta, czy też bazuje na referencyjnych projektach?

Standard branżowy definiuje wymiary, rodzaj złącza oraz interfejs dysku SSD. Centralnym elementem tego produktu jest kontroler, do którego kupujący dostaje projekt referencyjny, w tym schemat i projekt płytki. Dopasowujemy go do naszych potrzeb, traktując jako bazę do tworzenia poszczególnych wariantów i rozwiązań.

Co do zasady, to, co dostarcza producent kontrolera jako referencję jest projektem ogólnym, obejmującym wiele typów pamięci i przeznaczenia. Dlatego proces dostosowania polega na tym, aby te szerokie możliwości i ogólną koncepcję zamienić na dopasowane do aplikacji rozwiązanie, po to by spełniało określone wymagania, a przy tym nie było przewymiarowane.

Nie oznacza to, że taka optymalizacja polega na usuwaniu elementów nadmiarowych. Przeciwnie, w aplikacjach przemysłowych często projekt trzeba przebudować, zwiększając liczbę warstw PCB po to, by poprawić parametry elektromagnetyczne lub cieplne. Jest to też jeden z powodów, dla których płytka dysku przemysłowego jest droższa od konsumenckiego, bo ten pracuje w temperaturze pokojowej i poziom zakłóceń jest mniejszy.

Oprócz samej budowy nie można zapominać o znaczeniu montażu dla rozwiązań przemysłowych. Idąc jednak dalej, architektura kontrolera dla wersji przemysłowych i konsumenckich jest oczywiście wspólna, ale wykonanie już inne. Producenci wyraźnie to różnicują i ma to odzwierciedlenie w cenie. Podstawowy kontroler konsumencki kosztuje np. 3 dolary, a wersja przemysłowa już 9 dolarów.

• Czy pamięci Flash można wiarygodnie przetestować w czasie produkcji, skoro mają one ograniczoną liczbą cykli zapisu?

Testy są zaprojektowane tak, by nie powodować zużycia wpływającego na cechy produktu i późniejszego okresu eksploatacji. Wykorzystywany przez nas proces testowania jest dość złożony. Jego pierwszym etapem jest walidacja podzespołów półprzewodnikowych, w ramach której wykonujemy testy zniszczeniowe. Pamięci są „zamęczane” operacjami zapisu i kasowania danych w podwyższonej temperaturze po to, aby możliwie szybko ocenić ich jakość i zasymulować pracę dysku w ciągu pięciu lat. Testy zniszczeniowe chipów odbywają się po zamontowaniu ich na PCB SSD, bo to pozwala zasymulować rzeczywiste warunki ich działania.

Po wykonaniu testów zniszczeniowych zyskujemy wiedzę na temat warunków granicznych eksploatacji i do tych danych dobieramy potem parametry testów produkcyjnych, tak aby gwarantowały one pracę w warunkach zgodnych ze specyfikacją produktu.

Stosujemy również zasadę, że dysków przemysłowych nie naprawiamy w czasie produkcji. Wiadomo, że bardzo rzadko, ale jednak czasem w procesie SMT pojawiają się usterki lutowania, które wykrywane są podczas kontroli optycznej AOI. Takie błędy się naprawia, dokonując tzw. reworku i nie jest to nic złego, jest to normalny etap montażu w przypadku dysków konsumenckich. Niemniej dysków przemysłowych nie naprawiamy. Nie chcemy podejmować ryzyka. Na rynek trafiają zatem jedynie wersje, co do których nie ma wątpliwości jakościowych.

• Do jakich maksymalnych temperatur produkujecie dyski?

Plus 85ºC jest typową wartością w naszej ofercie rozwiązań przemysłowych, dlatego też większość dysków przemysłowych ma obudowy metalowe. Konsumenckie wykonane są z plastiku, bo nie ma potrzeby sięgania po metal jako materiał.

• Czy wersje przemysłowe różnią się pod względem trwałości zapisu danych?

Za liczbę dopuszczalnych cykli zapisu pamięci Flash odpowiada typ użytego układu pamięci i technologia, w jakiej został wykonany. Najtrwalsze są chipy SLC, a więc takie, gdzie komórka przechowuje jeden bit. One są też najdroższe. Dalej w kolejności trwałości są układy, pseudo-SLC, MLC (2 bity na komórkę), pseudo-MLC i na końcu są pamięci 3D TLC (3 bity na komórkę). Im starsza technologia, tym zapis charakteryzuje się większą trwałością. W aplikacjach przemysłowych dominującą staje się już 3D Nand. Dzieje się tak, gdyż układy SLC oraz MLC produkuje już niewiele firm, stąd komponenty te stają się niedostępne. Co więcej, producenci pamięci przestali wspierać tworzenie nowych projektów dysków z układami SLC, a w ich miejsce proponują rozwiązania bazujące na technologii pSLC. Wynika to z planowanego przez nich zakończenia produkcji w przyszłości.

Kolejna różnica kryje się w funkcjonalności kontrolera, a więc w możliwości customizacji jego parametrów związanych z zarządzaniem Flash. Daje to możliwość dostosowania parametrów w zastosowaniach, gdzie np. zapisywane są pojedyncze duże pliki lub wiele małych. Można też regulować maksymalną prędkość zapisu po to, aby na przykład zmieścić się z poborem mocy w założonym limicie. Z takich możliwości korzystają klienci mający aplikacje o szczególnych wymaganiach.

• Jeśli chodzi o kontrolery, to związani jesteście z firmą Phison. W dyskach przemysłowych także?

Jesteśmy z tym producentem związani współpracą od wielu lat. Dodatkowo udziałowcem Phisona jest firma Kioxia, dzięki czemu kontrolery tej firmy są dobrze dopasowane do pamięci tego producenta, co dla nas jest dodatkową korzyścią. Trzeba tu zaznaczyć, że współpracę technologiczną z Kioxia (wcześniej Toshiba), światowym producentem półprzewodników, rozpoczęliśmy już w 2008 roku. Co więcej, Phison ma w ofercie wersje kontrolerów konsumenckie i przemysłowe, co pozwala nam na stabilny rozwój naszej oferty w tych dwóch segmentach. Na rynku jest wielu producentów takich układów, ale my trzymamy się głównie Phisona z uwagi na lata współpracy oraz tego, że producent ten oferuje wsparcie techniczne również, a może przede wszystkim w przypadku produkcji dedykowanych rozwiązań. Dzięki temu również i nasi klienci mogą mieć pewność, że zastosowane rozwiązanie będzie funkcjonować w ich specyficznej aplikacji.

• Dyski konsumenckie w aplikacjach profesjonalnych kiedyś to była plaga. Jak jest dzisiaj?

Zauważamy, że na rynku nadal funkcjonuje ten trend i dotyczy on głownie projektów o ograniczonym budżecie. Staramy się jednak tak doradzać naszym klientom, by ukierunkowywać ich na stosowanie rozwiązań przemysłowych ograniczając ryzyko potencjalnej awarii. Życie weryfikuje oszczędności. Utrata danych nawet w niewielkiej instalacji monitoringu może stanowić problem dużej wagi, dlatego nawet w projektach budżetowych należy sięgać po rozwiązania przemysłowe.

Przykładowo, jeśli firma obsługuje duży obiekt, a odpowiedzialność jest wyraźnie ustalona, nikt po dyski konsumenckie i karty pamięci nie sięga i nie powinien, bo w krytycznej sytuacji mała oszczędność może spowodować duże straty. Oczywiście, decyzje są i powinny być podejmowane z uwagi na budżet, niemiej jednak trzeba mieć na uwadze koszty związane z potencjalną awarią i obsługą serwisową. Z naszego doświadczenia wynika, że nie oszczędzają na nośnikach danych ci, którzy produkują drogi sprzęt, np. obrabiarki CNC i dla nich kilkadziesiąt dolarów różnicy nie ma znaczenia. Ale jeśli ktoś bije się z konkurencją w przetargu na przykładowy system monitoringu, to często instaluje dyski konsumenckie i to te na najtańszych chipach. Warto zatem zwrócić uwagę już na etapie organizacji przetargu, że w przypadku rozwiązań przemysłowych to nie cena, a jakość i zastosowane komponenty powinny stanowić główny element przetargowy.

• Kim jest klient na dyski przemysłowe?

Klient przemysłowy to klient wymagający dużej niezawodności, która jest w tym wypadku główną wartością. Nasi odbiorcy to klienci instalujący swoje urządzenia niejednokrotnie poza budynkami, realizujące instalacje mobilne, bądź wyposażający hale produkcyjne.

• Czy podobnie jak wiele innych firm, też czekacie nawet 70 tygodni na dostawę chipów?

Tak długo na szczęście nie. Najdłuższe czasy dostawy dotyczą podzespołów, których nie stosowaliśmy wcześniej. Na resztę mamy wieloletnie umowy dostaw z Micronem, Samsungiem i firmą Kioxia, które opierają się na prognozowaniu przyszłych dostaw. Dzięki tym umowom nie mamy problemu z dostępnością pamięci, ale prawdą jest, że czasem dostawy realizowane są częściowo, z opóźnieniem rzędu miesiąca. Więcej problemów mamy w przypadku podzespołów pasywnych, ale tutaj też kupujemy od jednej dużej firmy dystrybucyjnej zapewniającej nam buforowanie dostaw i kompleksowe zaopatrzenie. Od wielu lat zawsze mamy też nieduże zapasy podzespołów w firmie, zwłaszcza drobne komponenty pasywne. Ich brak potrafi skutecznie zablokować linię produkcyjną. Dlatego 3-miesięczny zapas jest w naszym przypadku standardem od lat.

• Czy pamięci przemysłowe kupuje się z półki i katalogu, czy też są one produkowane na zamówienie?

Wersje konsumenckie to produkty standardowe i dostępne z oferty katalogowej. W przemysłowych również są takie popularne modele, które kupuje wiele firm. Te trzymamy na stanie magazynowym i możemy je od ręki dostarczyć. Jednakże zdecydowana większość produktów tego typu jest wytwarzana na zamówienie. Często są one produkowane pod konkretne wymagania techniczne, wymagają dodatkowych operacji technologicznych, a nawet specjalnej funkcjonalności. Takie dyski projektujemy i produkujemy w ramach projektów, bo taka jest specyfika rynku przemysłowego.

W takim przypadku zyskujemy przewagę w tym, że jesteśmy niedużą firmą w porównaniu do gigantów, takich jak Samsung i jesteśmy w stanie przygotować dysk pod specyfikację klienta, a którego zapotrzebowanie jest zbyt małe, by zrealizował je dla niego gigant technologiczny. Stawiamy zatem na dalszy rozwój biznesu skoncentrowanego na realizacji pamięci opartych na indywidualnych wymaganiach naszych klientów. Ubiegły rok był dla nas pod tym względem bardzo dobry, mamy zatem silne podstawy, by rozwijać nasz udział w tym segmencie rynku.

• Czy na dyski przemysłowe są reklamacje?

Reklamacje produktów przemysłowych stanowią rzadkość i raczej związane są z uszkodzeniami powodowanymi przekroczeniem wyspecyfikowanych parametrów pracy danych pamięci lub starzeniem produktu. Należy również podkreślić, że pamięci przemysłowe są urządzeniami elektronicznymi i ich także dotyczą prawa fizyki. Niemiej jednak dobór podzespołów, projekt, walidacja, testowanie i w przypadku określonych produktów sztuczne starzenie zapewniają wysoki poziom niezawodności, wyższy niż w przypadku pamięci do zastosowań komercyjnych. Nie bez znaczenia jest również powtarzalność pamięci do zastosowań przemysłowych. Gwarantuje ona, że dostarczamy klientom produkty o powtarzalnej jakości zarówno podzespołów elektronicznych użytych do produkcji, jak również oprogramowania. Zatem ogranicza to ryzyko awarii powodowane wahaniem jakości. Należy podkreślić, że zmiany w pamięciach przemysłowych, objętych procedurami FIX BOM, mogą być monitorowane przez klientów dzięki emisji dokumentów PCN i EOL. Wymieniane cechy i bezpośrednia współpraca z klientem decydują o tym, że reklamacje pamięci przemysłowych należą do rzadkości.

Rozmawiał Robert Magdziak