Le soluzioni Memory Card per il settore industriale

Le schede di memoria SD e microSD offrono soluzioni di storage per varie applicazioni nel campo commerciale e industriale, dove si richiedono elevata affidabilità e una registrazione e accesso dati con elevata velocità di trasferimento, in una vasta gamma di esigenze operative. SanDisk sta sviluppando nuovi prodotti focalizzati per applicazioni connesse, includendo una serie di funzionalità smart per gestire in modo più efficiente l’archiviazione dati.   

Introduzione

La convergenza della connettività onnipresente e la capacità di calcolo stanno guidando una crescita esponenziale di dispositivi e sensori collegati, generando così incredibili volumi di dati e consentendo nuove applicazioni volte ad analizzarli (Big Data Analytics), aprendo nuovi modelli di business per cogliere abitudini dei consumatori e massimizzare gli obiettivi di utilizzo di un determinato servizio. Oltre a catturare localmente questi dati come archiviazione primaria o di backup, i dispositivi di storage a bordo come SanDisk Industrial Cards possono massimizzare l'efficienza della rete e consentire ai sistemi di analizzare i dati e di agire sui risultati in tempo reale. Le schede SD e microSD offrono soluzioni di storage per applicazioni industriali in una vasta gamma di esigenze operative. Progettate e testate per resistere alle condizioni più impegnative, sono dotate di una gestione avanzata della memoria che include il refresh automatico delle informazioni contenute al fine di ottimizzare la ritenzione dei dati, l'ECC (Error Code Correction) per correggere i bit erratici prodotti dalla lettura della flash NAND e il livellamento di usura di ogni singolo blocco di memoria, al fine di massimizzare la durata complessiva del componente prima che esaurisca la sua write endurance.

Queste soluzioni con elevata resistenza offrono cicli di vita prolungati che possono ridurre il costo totale del sistema, eliminando costose ridisegnazioni e riqualificazioni del progetto, e riducendo così al minimo la manutenzione. SanDisk ha sempre sviluppato prodotti focalizzati per applicazioni connesse e recentemente ha ampliato il portafoglio con robuste soluzioni intelligenti progettate per affrontare applicazioni automotive e industriali. Le ultime generazioni di soluzioni Automotive e Industrial Card includono una serie di funzionalità intelligenti integrate che migliorano l'affidabilità, e consentono agli progettisti di gestire in modo più efficiente la loro archiviazione in ambienti ad alta intensità di dati. Le soluzioni di storage automotive sono costruite per soddisfare le esigenze di affidabilità, di qualità e di temperatura relativamente al mercato automobilistico e sono certificati AEC-Q100. In particolare, le soluzioni SanDisk offrono le seguenti caratteristiche:

  • Standard SD full size.
  • Capacità da 8GB a 64GB.
  • Read/write fino a 120/30 MB/s for iNAND e fino a 20MB/s read speed per SD cards.
  • Power Immunity.
  • Gamma di temperatura da -40°C a +85°C

Le soluzioni embedded e rimovibili per applicazioni industriali e commerciali offrono prestazioni costanti, una minima manutenzione e un elevato tempo di utilizzo per piattaforme embedded come telecamere di sorveglianza, droni e gateway IoT.

  • Standard SD full size e microSD.
  • Capacità da 8GB a 128 GB.
  • Sino a 40MB/s e 20MB/s di read/write speed
  • Power Immunity. Con dati di backup qualora avvenissero cadute accidentali della tensione di alimentazione.
  • Gamma di temperatura da -40°C a +85°C (SD Card) e -25 C a +85 C (microSD)

Attraverso l'avanzamento delle tecnologie e dei servizi, la Smart Home è quasi una realtà. La sicurezza domestica, l'automazione, sono tutte applicazioni o servizi ove i dati poggiano su soluzioni NAND Flash, che svolgono un ruolo chiave nella distribuzione, consumo, analisi, gestione e sicurezza in tempo reale dei servizi.

Sandisk Industrial SD e microSD

Le schede SanDisk Industrial SD e microSD offrono soluzioni di storage per applicazioni industriali che richiedono elevata affidabilità. Le applicazioni quali il trasporto, i gateway industriali dell’IoT, l'automazione di fabbrica e le apparecchiature di rete come le telecamere di sorveglianza, possono sfruttare una potente suite di funzionalità con firmware avanzato e funzioni "intelligenti" tra cui un monitor di stato della memoria.

Proprio attraverso l’accesso a tale registro interno, il microcontrollore, cuore dell’applicazione, può verificare in tempo reale la write endurance residua della memory card, decidendo quando è il momento di notificare all’utente finale o ad un centro di assistenza quando è il momento di sostituire il componenente, in modo proattivo e del tutto automatico. Poter pianificare la manutenzione di un sistema in modo sistematico e predittivo permette di abbattere i costi dell’assistenza, evitando costose uscite straordinarie di tecnici di assistenza, o peggio, evitare cadute del servizio con disagi per l’utente finale e perdite di immagine per il fornitore del sistema o servizio. Un esempio banale ma molto attuale è la memora di massa delle camere di videosorveglianza, sempre più basate su registrazioni locali (dette di storage over-the-edge, o edge storage). Le SD card sono entrate protentemente in questo settore. La card industrial SanDisk si sono ritagliate un ruolo di riferimento per il settore e sono le piu’ utilizzate dai maggiori prodottori di sistemi di videosorveglianza.

IDC, Gartner, Cisco e altri stimano che il numero di dispositivi collegati crescerà esponenzialmente da un valore attuale stimato di 5 miliardi a 20-35 miliardi in cinque anni. Il mercato è diffuso e comprende applicazioni consumer (smart home, sistemi di sicurezza), assistenza sanitaria, applicazioni commerciali/industriali e automobilistiche. Mentre il mondo diventa sempre più connesso, IIoT genera anche una enorme quantità di dati. Tentare di trasferire questi dati in "magazzini" centralizzati per l'analisi, causerebbe potenzialmente la rottura delle reti e un deciso overflow di dati.

Speed Class e performance

Le latenze per le operazioni di lettura o scrittura differiscono tra i dispositivi e devono essere prese in considerazione sul lato host (ad esempio, se si sta registrando continuamente un flusso di dati è necessario essere in grado di bufferare quel flusso sul lato host per calcolare la latenza di scrittura nel caso peggiore sul dispositivo NAND gestito).  Per le schede SD, la "Classe di velocità" o Speed Class definisce la velocità di scrittura minima supportata in base ad un modello di interfaccia definito dalla SD Association  (figura 1).

Figura 1: le soluzioni SD e microSD della SanDisk per il settore industriale con tecnologia NAND flash MLC

Ci sono ampie discrepanze nella velocità di accesso alla memoria a seconda del produttore e della marca della scheda di memoria SD. Le velocità variabili rendono difficile determinare quale scheda possa sicuramente registrare i contenuti in streaming. La registrazione di video richiede una velocità di scrittura minima costante per evitare la perdita del frame durante la registrazione, e per una successiva riproduzione regolare. L'Associazione SD ha definito diversi standard della classe di velocità per rispondere a una richiesta di registrazione video di qualità. I simboli della classe di velocità indicati aiutano a decidere la migliore combinazione per una registrazione affidabile (senza perdita di fotogrammi).

Esistono tre tipi di indicatori di velocità: Speed Class, UHS Speed Class e Video Speed Class, con un numero che indica la velocità minima di scrittura. Ciò è principalmente utile per videocamere, videoregistratori e altri dispositivi con capacità di registrazione video. Per quanto riguarda la modalità bus, è necessario utilizzarne una abbastanza veloce che non influenzi la velocità di scrittura della memoria.

Video Speed Class è definito per rispondere ad una richiesta di registrazione video ad alta risoluzione e di alta qualità 4K/8K, e ha anche una caratteristica importante per supportare la memoria flash di tecnologia NAND 3D.  Le classi di velocità definite dall'associazione SD sono Classe 2, 4, 6 e 10. La classe 10 può essere applicata alla famiglia di prodotti High Speed Bus IF.  Le Classi di Velocità UHS definite dall'associazione SD sono UHS Speed Class 1 (U1) e UHS Speed Class 3 (U3). U1 e U3 possono essere applicate alla famiglia di prodotti UHS Bus IF (UHS-I, UHS-II e UHS-III).  Le classi di velocità video definite dall'associazione SD sono, invece, V6, 10, 30, 60 e 90. V6 e V10 possono essere applicate alla famiglia di prodotti High Speed e UHS Bus IF. V30 può essere applicato alla famiglia di prodotti UHS Bus IF. V60 e V90, invece,  possono essere applicate alla famiglia di prodotti UHS-II / UHS-III.

Considerazioni di sicurezza

Le SD card e micro SD industriali ed automotive SanDisk implementano anche innovative funzionalità interne per garantire accessi sicuri ai dati contenuti e meccanismi di anticontraffazione del contenuto.

La funzionalità di OTP String (Stringa One-time programmable) è una sequenza di 32 byte che l’utente della card può programmare una sola volta nella card, determinando di conseguenza una sua personalizzazione. Il sistema embedded che accede alla card può determinare di conseguenza se è in presenza di un dispositivo genuino “autorizzato” dal fornitore del servizio, oppure se la card è stata sostituita da personale non autorizzato e non si tratta di una card destinata per quel tipo di sistema.

Un’altra funzionalità molto avanzata è la password di host lock. Da poco la SD Association ha standardizzato questo nuovo protocollo di sicurezza, nelle specifiche SDA 6.0. Si tratta di una vera e propria password che l’host deve passare alla card durante la fase di inizializzazione al fine di poterla sbloccare. Se la card fosse protetta da password, ma non sbloccata durante tale fase, la card stessa passerebbe autonomamente in modalità di basso consumo, autospegnendosi. Come conseguenza il filesystem in essa contenuto risulterebbe non leggibile, quindi non “montabile”.

E’ da notare che la maggior parte dei lettori di card USB che abbiamo nei nostri computer non permettono di accedere a tali funzionalità avanzate, che sono da questo punto di vista riservate ai sistemi con porta SDIO nativa.

ECC e MLC NAND Flash

Quando i dati digitali vengono memorizzati in una memoria non volatile, è fondamentale avere un meccanismo in grado di rilevare e correggere un certo numero di errori. Il codice di correzione degli errori (ECC) codifica i dati in modo tale che un decodificatore possa identificare e correggere gli errori nei dati stessi. Tipicamente, le stringhe di dati vengono codificate aggiungendo un numero di bit ridondanti. Quando i dati originali vengono ricostruiti, un decodificatore esamina il messaggio codificato per verificare eventuali errori.

Esistono vari algoritmi di ECC (tra i più noti Hamming e BCH, per la tecnologia NAND flash). Le SD card Automotive ed Industriali SanDisk implementano algoritmi ECC avanzati e resi possibili da un controllore NAND interno molto performante, frutto di anni di esperienza nel settore. Ciò permette di raggiungere un numero di cicli di programmazione e cancellazione elevato (3,000 cicli) prima di compromettere l’integrità dei dati contenuti.

Figura 2: esempio di schematizzazione del codice di blocco ECC

La memoria flash NAND è un tipo di tecnologia di storage non volatile, progettata per ridurre il costo per bit e aumentare la capacità massima del chip in modo che la memoria flash possa competere con dispositivi di memorizzazione magnetica quali i dischi rigidi. NAND flash ha trovato un vasto mercato in dispositivi dove i file di grandi dimensioni vengono spesso caricati e sostituiti. I lettori MP3, le fotocamere digitali e le unità USB utilizzano strutture di memoria flash NAND (figura 3).

Figura 3: struttura generale di una NAND flash

La memoria NAND ha un numero finito di cicli di scrittura e cancellazione, il fallimento dell'operazione è di solito graduale come le singole celle si rovinano e le prestazioni complessive degradano, un concetto noto come consumo. Quando una scheda NAND si degrada, l'utente ne acquista semplicemente una nuova e il dispositivo continua a funzionare. Trascurando le spese di stoccaggio aggiuntive al consumatore, i produttori sono stati in grado di abbassare in modo significativo il prezzo dei dispositivi elettronici di consumo.

Nuovi sviluppi nella tecnologia di memoria flash NAND rendono i chip più piccoli, aumentando i cicli di lettura e scrittura. Gli standard SD consentono ai produttori di realizzare dispositivi ad alte prestazioni che migliorano l'esperienza di milioni di persone che ascoltano ogni giorno musica, registrano video, scattano foto, salvano i dati e usano un telefono cellulare. Come standard industriale, quello SD è utilizzato in più segmenti di mercato dell'industria di storage portatile, inclusi telefoni cellulari, fotocamere digitali, lettori MP3, personal computer, tablet, stampanti, sistemi di navigazione per auto e molti altri dispositivi elettronici.

La tecnologia NAND ha mostrato progressi straordinari che hanno portato ad aumentare in maniera esponenziale la capacità di memoria. È necessaria una velocità di interfaccia molto più veloce in base all'aumento della capacità di memoria al fine di ridurre il tempo di accesso a tale scheda. UHS-II e UHS-III possono fornire velocità di bus molto più elevate rispetto a UHS-I usando il segnale differenziale a bassa tensione (LVDS).

Nell'ambito della struttura interna di una cella NAND flash, quella multi-livello MLC è una tecnologia che memorizza bit di informazioni su più livelli all'interno di una cella. A causa di questo, le unità MLC hanno una maggiore densità di memoria e il costo di produzione per bit è minore, ma con una maggiore probabilità di errore sull'unità. Questa tipologia di unità è tipicamente utilizzata nei prodotti di consumo. La cella SLC memorizza solo bit di informazioni su un singolo livello per cella. Ciò riduce il consumo energetico e consente elevate velocità di trasferimento dati. Questa tecnologia è tipicamente riservata a schede di memoria aziendali dove la velocità e l'affidabilità sono più importanti dei costi.

SanDisk Industrial e Automotive SD e micro SD sono realizzate con la tecnologia MLC al momento più evoluta di SanDisk, garantendo un giusto compromesso tra costo del componente e affidabilità. La maggior parte delle card consumer sono in tecnologia TLC, di conseguenza meno affidabili con numero di cicli di programmazione e cancellazione inferiori.

Differenze tra SD card e eMMC

Da un punto di vista di architettura interna, eMMC e SD card sono molto simili, pur usando due standard di protocollo in parte differenti. Entrambe montano chip di memoria NAND gestiti da un controller interno che da un lato interfaccia l’host con il protocollo desiderato, dall’altro gestisce la memoria NAND da un punto di vista affidabilistico (ECC, bad block management). Le eMMC sono standardizzate dal consorzio JEDEC ed attualmente le più evolute sono in formato JEDEC 5.1. le SD card sono standardizzate dalla SD Association. La maggior parte di esse sono in standard 3.0, con funzionalità dello standard 4, 5 e 6.0 implementate in modo opzionale a seconda del tipo di applicazioni a cui la card stessa si rivolge. La differenza più palese è il fattore di forma, in quanto le eMMC si presentano come chip BGA a saldare, mentre le SD card sono assemblate in involucro plastico e necessitano di un connettore ad inserimento per essere montate su scheda. Le microSD e SD sono rimovibili, la eMMC sono saldate permanentemente sulla scheda. Le SD card hanno quattro linee di dato, mentre le eMMC ne hanno 8. Cio’ permette a parita’ di clock di avere un picco di velocità di trasferimento doppio in una eMMC.

Conclusioni

La memoria flash NAND è una tecnologia complessa e lo sta diventando sempre di più in seguito ad ogni riduzione della sua geometria. Le sue sfide intrinseche richiedono sofisticate tecniche di gestione della memoria. Le memorie Flash sono costruite con struttura robusta per resistere alle condizioni critiche ambientali dei vari settori applicativi. In particolare, offrono una gamma di temperatura di grado industriale con tecniche di controllo avanzato. Le SD e microSD SanDisk a NAND 2-bit per cella (MLC) integrano un controller con intelligenza programmata per migliorare l'affidabilità e le prestazioni, e con funzionalità avanzate. 

Le schede SD con celle a singolo livello (SLC) e multi livello (MLC) integrano un controller con intelligenza programmata per migliorare l'affidabilità e le prestazioni, e con funzionalità quali il livellamento di usura e aggiornamento automatico dell'errore di bit. Ci sono diversi tipi di schede di memoria flash presenti sul mercato, approssimativamente divisi tra dispositivi di consumo e dispositivi di storage aziendali. Questi dispositivi includono la scheda Secure Digital (scheda SD) e la sua variante minore, la scheda microSD; Scheda Secure Digital High Capacity (SDHC e SDXC); Scheda CompactFlash (scheda CF); USB.

I tipi di schede di cui sopra sono di solito associati a dispositivi di consumo, come fotocamere digitali, smartphone e tablet, ma con applicazioni anche in altri campi commerciali ed industriali. Le schede sono disponibili in diverse dimensioni e capacità di storage. La memoria non volatile protegge i dati in caso di interruzioni di corrente, bug software o altri disturbi. Poiché utilizzano supporti a stato solido, non coinvolgono parti in movimento riducendo così i problemi di natura meccanica. Le schede SanDisk automotive e industriali sono concettualmente simili, ma garantiscono standard affidabilistici superiori.

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)

 

 

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