Le soluzioni di storage per la gestione dati nei sistemi IoT

L'Internet delle cose (IoT) si sta espandendo ad un tasso di crescita molto importante.  La realtà di affrontare i requisiti di questa espansione diventa sempre più evidente con il passare dei giorni. Il cloud non è l’unico modo per l’archiviazione dei dati in totale sicurezza. I dispositivi embedded richiedono uno storage locale sia per la registrazione di dati sia per il supporto di analisi in tempo reale. In questo contesto, le soluzioni NAND flash integrate si apprestano a raccogliere le nuove sfide del mercato globale.

Introduzione

Una stima di circa 50 miliardi di dispositivi collegati entro il 2020, generando oltre decine di zettabytes di dati che devono essere gestiti e memorizzati. La soluzione di storage nella nuova realtà IoT si appresta ad essere molto più complessa. Ogni automobile che utilizza tecnologie di ultima generazione, comprese quelle di ADAS e guida autonoma, deve generare 2 petabyte (PB) di dati ogni anno entro il 2020, e un singolo aereo dovrebbe produrre oltre 40 TB di dati ogni giorno. Le macchine e gli aerei non possono memorizzare tutti questi dati nel cloud e in tempo reale. Essi utilizzano lo storage locale di bordo per catturare e memorizzare dati, fino a trasferirli sul cloud tramite una rete ad alta velocità. Le fabbriche, invece, sono progettate per generare 1 PB di dati ogni giorno. Gli edifici intelligenti con altri 250 GB al giorno. I sistemi di misura possono generare più di 3 exabytes di dati all'anno. Per ciascuno di questi casi d’uso, l’interesse generale è quello di trasferire ed immagazzinare i Big Data rilevanti generati dai sistemi embedded, anche se per motivi di dimensione appare difficoltoso trasferire una simile mole di dati ad unità di calcolo centralizzate medianti reti wireless a causa di assenza di connettività per dispositivi in movimento, o per limitazioni di banda, in caso si possa disporre di reti cablate.

Da una parte, il cloud è elastico e onnipresente. Ha anche strumenti analitici che possono aiutare a scoprire i segreti nascosti nei profondi pool di dati con un’analisi ben accurata. D'altra parte, non è sempre possibile eseguire analisi in tempo reale sui dati basati su cloud. Se un sensore in una fabbrica rivela una condizione di fuori limite su un dispositivo, le informazioni in tempo reale sono fondamentali per una risposta tempestiva. E' vitale potere prendere decisioni basate su elaborazioni eseguite in locale in questi casi.

Purtroppo, come l’IoT ha progredito, non è sempre facile sapere quali dati saranno importanti.  Pensiamo alle telecamere per il traffico sulle strade e alle centinaia, se non alle migliaia, di immagini che vengono catturate ogni ora da ogni postazione. Mentre gran parte potrebbero non essere mai utilizzate, alcuni singoli fotogrammi potrebbero risultare critici per comprendere un incidente o una violazione del traffico o prevenire un'azione terroristica. Non vi è alcun dubbio che strumenti smart per l'acquisizione dei dati e il riconoscimento di modelli sono sempre più necessari in tutte le aree di IoT. Questo darà una comprensione più approfondita del valore inerente i dati acquisiti, sia nel cloud che in locale.  Quando si parla di dispositivi, sia relativamente ad un sensore, sia ad uno smartphone o un gateway, l'archiviazione dati veloce, affidabile e sicura è un requisito fondamentale.  Un elevato rapporto di capacità di storage e una buona resistenza alle condizioni climatiche e ai disturbi che possono perturbare un sistema embedded sono importanti considerazioni, in quanto i dispositivi lavorano in una varietà di ambienti operativi. Le soluzioni di storage Flash NAND di SanDisk, un brand di Western Digital, su unità BGA a saldare (iNAND eMMC), schede SD/microSSD, sono perfette per un'ampia gamma di dispositivi elettronici impiegati in vari campi commerciali e industriali.

Le soluzioni eMMC iNAND embedded

Le soluzioni di storage embedded, disponibili nelle interfacce e.MMC ed e.MCP, per smartphone, tablet e altri dispositivi mobile, forniscono una rapida risposta del sistema, con migliori prestazioni multitasking e una maggiore durata della batteria. Un azionamento flash integrato iNAND ad alte prestazioni è il fondamento per offrire prestazioni end-to-end per l'imaging e applicazioni varie per gli utenti finali. I consumatori di oggi dipendono dai loro smartphone, tablet, e altri dispositivi collegati per una vasta gamma di applicazioni e servizi che richiedono un eccezionale livello di prestazioni. I produttori di dispositivi affidano alla loro memoria tutta una serie di operazioni al fine di fornire prestazioni eccezionali di sistema e relativamente alle app (figura 1).

La e.MMC (embedded Multimedia Card) si sta distinguendo già da molti anni come una soluzione valida ed efficente. Si tratta di una soluzione di chip a saldare basata su flash NAND. La parte di interfaccia verso il microcontrollore, definito host dell’applicazione, è permessa da un controller integrato che grazie allo standard di comunicazione MMC comunica con esso. Il controller integrato, vero e proprio cardine della eMMC, permette anche di gestire la flash NAND con un sistema di ECC (Error Code Correction) integrato, indispensabile per gesitre in modo affidabile tale tipo di memorie non volatili ad elevata capacità. Il controller inoltre permette di distribuire (o spalmare) i cicli di programmazione e cancellazione nei settori della flash NAND, pemettendo di usurare in modo uniforme tutti i blocchi fisici del componente. Tale meccaniscmo è definito wear-leveling e permette di ottenere la massima affidabilità e la massima durata nel tempo. Inoltre il firmware del controller permette di riconoscere eventuali blocchi della NAND che diventano inutilizzabili (bad block management) garantendo di non perdere dati durante l’invecchiamento del componente.

Le soluzioni di storage embedded, disponibili nelle interfacce e.MMC ed e.MCP (eMMC + DRAM nello stesso package) per smartphone, tablet e altri dispositivi mobile, forniscono una rapida risposta del sistema, con migliori prestazioni multitasking e una maggiore durata della batteria. Permettono inoltre di gestire sistemi operativi sempre più estesi e complessi, app più ricche di contenuti multimediali. La crescita della capacità di calcolo dei processori embedded, unita alla disponibilità di larghi banchi di DRAM veloce a basso consumo e la possibilità di avere GB di storage integrato a costi accessibili hanno pemesso tale rivoluzione di fruizione dei contenuti. Basti pensare a tutte queste nuove sfide prestazionali che stanno interessando il segmento mobile per intuire quali possano essere le opportunità per sviluppatori di sistemi embedded che vogliano dotare le loro applicazioni di simili soluzioni di storage. SanDisk (divisione di Western Digital) sta introducendo in questo momento due nuovi dispositivi eMMC. iNAND 7350 è un'unità e.MMC ad alte prestazioni costruita con tecnologia NAND 3D. Con capacità fino a 256 GB e fattori di forma BGA ridotti. E’ progettata per tutte quelle applicazioni mobili dove elevata capacità è fondamentale. INAND 7250 è un'unità e.MMC ideale basata su tecnologia NAND MLC per applicazioni industriali, automotive e commerciali, garantendo affidabilità e resistenza in un'ampia gamma di ambienti operativi.

Figura 1: struttura schematica di un e.MMC a confronto con la semplice NAND

Flash Storage

A differenza dei dischi HDD nei sistemi tradizionali, il ruolo della flash non è spesso solo l'archiviazione dei dati. La memoria flash di una fotocamera per sorveglianza, per esempio, è stata progettata per fornire una memorizzazione locale nei seguenti scenari o in una combinazione di questi:

  • Storage in caso di connettività assente: questa è una soluzione fail-safe che consente alla telecamera di mantenere i dati di eventi di registrazione o il flusso costante in modalità offline. La capacità dell'archiviazione flash è tipicamente basata sullo stato di inattività della rete. Ad esempio, un'ora di registrazione di 4K richiede solitamente circa 10GB di capacità.
  • Ring-buffer storage: il flusso video viene mantenuto nella fotocamera e viene quindi inviato al server/cloud durante le ore non di punta del traffico di rete.
  • Memorizzazione per la pre-elaborazione: in questo caso la fotocamera non invia il flusso originale, bensì un flusso ridotto. Se un evento è contrassegnato o se è richiesto un filmato specifico, il server/cloud richiede quindi i filmati dall'archivio locale della fotocamera. Con questa configurazione, il requisito di larghezza di banda tra la fotocamera e il server/cloud rimane basso.

Oltre alla capacità di memorizzazione, la telecamera di sorveglianza può anche contenere un'istanza software di analisi video e di database di riferimento. Ciò consente alla fotocamera di eseguire analisi varie come il riconoscimento facciale in modo indipendente, senza doversi affidare ad un server remoto per questo tipo di operazione. La flessibilità della eMMC di agire come disco specializzato di sistema in tutti questi scenari, permette di dotare di raggiungere tali missioni critiche in uno spazio e consumo di potenza estremamente ridotti.

iNAND 7350 e la tecnologia NAND 3D

L’affidabilità rappresenta uno dei maggiori antagonisti verso l’evoluzione tecnologica delle memorie NAND iperscalate, in quanto le operazioni corrette devono essere garantite per tutto il corso della vita. In particolare, la capacità di mantenere inalterate le informazioni memorizzate anche dopo un numero consistente di operazioni di lettura e scrittura. Una crescita in termini di capacità di memoria senza aumentare l'occupazione fisica è costantemente richiesta dal mercato: per soddisfare tali requisiti sono necessari alcuni step di design come quello di aumentare la densità di memoria scalando la densità delle celle nell'area di chip (figura 2).

Figura 2: struttura schematica di una NAND 3D

Oggi, la transizione da architetture planari a tridimensionali appare come la soluzione più diffusa per l'integrazione di celle di memoria non volatili di array di tera-bit di capacità. Le celle di memoria NAND sono considerate come una delle tecnologie più promettenti per l'integrazione 3D grazie ad una migliore scalabilità delle NAND Floating Gate (FG).  La flash NAND 3D è adatta per gli stessi tipi di applicazioni per le quali è in uso il NAND planare, ma con costi di produzione inferiori e prestazioni superiori.

Rispetto alla tecnologia planare, la NAND 3D può abbassare il costo per gigabyte, migliorare l'affidabilità grazie ad una dimensione litografica più rilassata e fornire prestazioni di scrittura più elevate. La produzione della Flash NAND 3D può avvenire nella stessa fabbrica di soluzioni planari, ma il processo di stratificazione aggiunge ulteriori passi a quello di produzione. Sebbene i produttori adottino approcci diversi per costruire la tecnologia NAND 3D flash, il processo di programmazione/cancellazione in una cella NAND 3D e in una corrispondente planare si basa su principi simili.

La scalabilità di tecnologie 3D NAND  future inoltre non avverrà solo riducendo la dimensione della cella, ma aggiungendo strati al chip rendendolo sempre più elevato in altezza. Al momento SanDisk ha sviluppato nelle proprie fabbriche un processo di produzione 3D NAND molto promettente, che vede in iNAND 7350 la prima eMMC che lo adotta. Tale dispositivo sfrutta inoltre un layer di storage veloce intermedio, denominato SmartSLC, che permette di accelerare i trasferimenti sequenziali in modo drastico, permettendo il trasferimento di file di ampie dimensioni in tempi molto brevi.

Questa funzionalità associata ad un bus di trasferimento eMMC in classe HS 400 (High-Speed Bus 200MHz DDR x 8 linee di dato) permette di raggiungere sino a 250 GB/s di velocità di scrittura sequenziale. Nel mondo degli smartphone e dei tablet ciò permette di eseguire download molto rapidi sotto copertura 4G o Wifi, di poter registrare filmati in risoluzione 4K e di acquisire foto in formato raw, caratteristica un tempo offerta soltanto dalle fotocamere professionali.

iNAND 7250

I dispositivi flash iNAND 7250 embedded forniscono un'elevata affidabilità e resistenza alle applicazioni industriali in una vasta gamma di requisiti operativi. Progettata e testata per resistere a condizioni ambientali esigenti, la tecnologia flash embedded a livello industriale è dotata di un firmware avanzato per la gestione della memoria, fornendo l'immagazzinamento locale ideale per applicazioni industriali quali sorveglianza, droni, gateway IoT, trasporto e PC industriali (figura 3). In ambito automotive il suo impiego ideale è nei sistemi di guida assistita avanzata (ADAS), di guida autonoma e nei sistemi di navigazione ed infotainment. Anche applicazioni di registrazione di eventi stradali (dash cam), gestione di flotte aziendali e tracker di vetture in ambito assicurativo sono possibili ambiti di impiego.

Le principali caratteristiche possono essere riassunte nei seguenti punti:

  • Temperatura operativa: da -40°C a 85°C (industriale) e da -25°C a 85°C (commerciale).
  • Range automotive esteso -40 C a 105 C
  • Broad portfolio: da 8GB a 64GB.
  • Ciclo di vita esteso.
  • Core voltage (VCC): 2.7-3.6V.
  • High endurance: fino a 3K P/E cycles in MLC
  • Elevato tempo di ritenzione dei dati in assenza della tensione di alimentazione (sino a 15 anni).
  • Estremamente affidabile per gestire situazioni di write abort causate da caduta improvvisa della tensione di alimentazione.
  • Prodotto progettato e qualificato secondo il nuovo standard ISO 26262 focalizzato alla sicurezza e all’affidabilità sia dal punto di vista hardware che software. Il firmware interno della eMMC ha una certa complessità, di conseguenza il suo impiego in ambito automotive ed industriale richiede standard di validazione e qualifica elevati.

 

Figura 3: caratteristiche principali delle memoria iNAND flash della SanDisk

 

Conclusioni e considerazioni

Il numero di dispositivi collegati dovrebbe crescere in modo esponenziale nei prossimi anni. Alcuni di questi dispositivi generano piccoli burst di dati, ma altri producono un grande flusso sequenziale. Poiché altri dispositivi IoT si collegano alla rete, sta diventando chiaro che senza investimenti significativi l'infrastruttura esistente non può supportare la rapida crescita dei dati e dei nuovi modelli di accesso richiesti dai dispositivi collegati. Negli ultimi mesi, la soluzione che è emersa per affrontare vari problemi è quella di aggiungere storage locale e costruire un potere di calcolo sufficiente per consentire l'analisi dei dati nei dispositivi stessi. Ciò rende ogni unità di storage a bordo nel sistema di sorveglianza, un sottosistema intelligente e indipendente. Molti sistemi di sorveglianza devono essere bassi, silenziosi, leggeri, efficienti e funzionanti in un'ampia gamma di temperature.

Per la memorizzazione locale, la soluzione di scelta è la memoria flash basata sia come un'unità embedded saldata sul PCB della fotocamera, sia come una scheda microSD rimovibile. L'uso della flash NAND ha visto una grande accettazione e crescita, venendo utilizzata in dispositivi consumer, automotive ed industriali. Nel corso degli ultimi anni, i progressi della tecnologia flash NAND hanno permesso di disporre di tecnologie planari e 3D NAND sempre più affidabili ed evolute. Le eMMC iNAND 7250 e 7350 sono una delle massime espressioni di tale evoluzione nel portafoglio prodotti di SanDisk, unendo in un fattore di forma compatto come quelle di un chip BGA i pregi di un controller che gestisce chip di NAND ad elevata capacità in modo sempre più efficente ed affidabile.

Ringraziamenti

Si ringrazia per la collaborazione Matteo Zammattio, Technical Manager EMEA della SanDisk.

Riferimenti Sandisk

  • Giacomo Lorenzoni, Sales Manager Italia (email: giacomo.lorenzoni@sandisk.com)
  • Matteo Zammattio, Technical Manager EMEA (email: matteo.zammattio@sandisk.com)

 

 

Una risposta

  1. Maurizio Di Paolo Emilio Maurizio Di Paolo Emilio 23 maggio 2017

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