Nośniki Flash w wykonaniu przemysłowym

Spis treści

PAMIĘCI FLASH KONTRA NOŚNIKI MAGNETYCZNE

Tabela 1. Przykłady kart i dysków SSD przemysłowych dostępnych u polskich dystrybutorów

Popularność nośników magnetycznych - dysków twardych, a dawniej także dyskietek wynika stąd, że są tanie. W przypadku dysków twardych istotne jest też to, że stosunek ceny do pojemność z roku na rok poprawia się. W porównaniu do pamięci półprzewodnikowych mają one jednak kilka wad. Przede wszystkim dyski magnetyczne zawierają części ruchome: dysk pokryty materiałem ferromagnetycznym, na którym dane są zapisywane przez namagnesowanie wybranych obszarów oraz głowice elektromagnetyczne zapisująco-odczytujące.

Z tego powodu dyski twarde łatwiej ulegają uszkodzeniom w wyniku drgań, uderzeń i upadków niż pamięci Flash, które takich elementów nie zawierają. Ponadto w związku z rozruchem tych podzespołów średni czas dostępu do danych w przypadku dysków magnetycznych wynosi z reguły kilka - kilkanaście ms, podczas gdy w pamięciach Flash dostęp jest natychmiastowy.

Konieczność zasilenia silników napędzających dysk i głowice sprawia, że nośniki magnetyczne zużywają więcej energii elektrycznej - nawet o 95% więcej w stanie jałowym i o 50‒85% w aktywnym trybie pracy. Oznacza to krótszy czas pracy przy zasilaniu bateryjnym oraz wydzielanie większej ilości ciepła, które trzeba odprowadzić do otoczenia, aby uniknąć nadmiernego nagrzewania się samych dysków oraz komponentów z nimi sąsiadujących.

W tym celu instaluje się wentylator. To z kolei zwiększa koszty, wagę, pobór energii, awaryjność i głośność urządzenia, w którym taki dysk pracuje. Główne wady pamięci Flash to z kolei ograniczona liczba cykli kasowania i programowania oraz wciąż duży koszt w porównaniu do nośników magnetycznych.

To ostatnie sprawia, że chociaż ceny pamięci Flash sukcesywnie maleją - na przykład pod koniec 2009 roku cena pamięci Flash NAND MLC 16Gb wynosiła 4,52 dol., a pamięci 32Gb 7,21 dol., natomiast pod koniec 2010 roku było to odpowiednio 4,49 dol. i 6,1 dol. - mimo licznych zalet i wbrew oczekiwaniom wciąż nie wyparły one z rynku dysków magnetycznych.

GDZIE WYKORZYSTYWANE SĄ KARTY PAMIĘCI I DYSKI FLASH?

W rezultacie pamięci Flash są używane głównie tam, gdzie jest to ekonomicznie uzasadnione, zwykle w przypadku konieczności wyeliminowania wszelkich komponentów mechanicznych zwiększających awaryjność urządzenia. W związku z tym na przykład w przemyśle pamięci półprzewodnikowe są wykorzystywane w urządzeniach pracujących w trudnych warunkach (w maszynach - na przykład w obrabiarkach, komputerach przemysłowych), wymagających niezawodnego nośnika danych ze względu na utrudniony do nich dostęp, który uniemożliwia wymianę dysku w razie awarii (na przykład w sprzęcie pomiarowym).

Są one używane również w kluczowych komponentach systemu, w przypadku których utrata danych z powodu uszkodzenia nośnika może mieć poważne konsekwencje (na przykład w urządzeniach sieciowych, elementach systemu sterowania) oraz w podręcznych rejestratorach, miernikach, czytnikach i podobnych urządzeniach.

Pamięci Flash używane są też w pociągach i samolotach, w sprzęcie medycznym (na przykład w rożnego typu przenośnych rejestratorach stanu pacjentów), w terminalach POS i automatach sprzedażowych. W wojsku natomiast znajdują zastosowanie w urządzeniach telekomunikacyjnych, systemach radarowych, sprzęcie pomiarowym (zwłaszcza w urządzeniach monitorujących warunki środowiskowe, które pozostawiane są bez nadzoru) oraz w pojazdach - na przykład w helikopterach, pojazdach transportowych i bezzałogowych oraz w czołgach.

NOŚNIKI FLASH W WYKONANIU PRZEMYSŁOWYM

W tych zastosowaniach z reguły nie wykorzystuje się jednak "zwykłych" dysków i kart pamięci Flash przeznaczonych do elektroniki użytkowej, które projektowane są pod kątem przede wszystkim możliwie najniższej ceny za jednostkę pamięci. Zamiast nich używane są nośniki w specjalnym wykonaniu, które charakteryzuje duża niezawodność i wytrzymałość na trudne warunki środowiskowe.

Aby to uzyskać, wdraża się w nich różne rozwiązania ograniczające wpływ czynników zewnętrznych na możliwość zapisu i odczytu danych oraz ich integralność. Jednym z nich jest umieszczenie kart pamięci i dysków SSD w specjalnie wzmocnionych, najczęściej wykonanych z metalu obudowach, które zapewniają pyłoszczelność oraz wodoszczelność nośnika. Jako dodatkowe zabezpieczenie stosuje się też hermetyzację. W takim wypadku układy elektroniczne pamięci przed umieszczeniem w zewnętrznej obudowie zalewa się na przykład żywicą.

Witold Bryłka

JM elektronik

Można odnieść wrażenie, że przemysłowe karty Flash czy dyski SSD na pierwszy rzut oka nie różnią się niczym od dostępnych powszechnie rozwiązań komercyjnych… oprócz wyższej ceny. Czy są jej warte?

Kluczowym dla rozwiązań przemysłowych jest wydłużenie żywotności nośnika, ograniczenie do minimum prawdopodobieństwa wystąpienia błędów oraz zapewnienie odporności na czynniki zewnętrzne - przeciążenia, wstrząsy, niskie i wysokie temperatury. Nośniki o najwyższym stopniu niezawodności są realizowane w technologii SLC (Single Level Cell). W tym przypadku w jednej komórce pamięci zapisywany jest jeden bit.

Rozwiązania komercyjne są zawsze oparte na technologii MLC (Multi Level Cell) - w jednej komórce znajdują się 2, 4 czy nawet 8 bitów informacji. O ile technologia ta pozwala zmniejszyć koszty dysku - na tej samej powierzchni krzemu zapisać można więcej informacji, to takie rozwiązanie pociąga za sobą mniejszą żywotność układu, a także większe prawdopodobieństwo występowania błędów.

Rozwiązania przemysłowe mają wyrafinowane systemy równomiernie wykorzystujące wszystkie komórki pamięci. W wersjach komercyjnych niektóre z komórek są w ciągłej eksploatacji, a inne pozostają praktycznie nietknięte, zatem niektóre obszary dysku kończą swój żywot znacznie szybciej. Należy wystrzegać się zwłaszcza stosowania komercyjnych kart CF czy SD do przechowywania systemu operacyjnego (o ile ich firmware w ogóle na to pozwala).

Karty te nie zostały stworzone do takiego trybu pracy, a ich żywotność jest w takim przypadku znikoma. Spotyka się także rozwiązania przemysłowe wykorzystujące technologię MLC. Tutaj producent na drodze odpowiednich narzędzi programowych zapewnia kilkukrotnie większą żywotność i pewność działania w porównaniu z dyskami komercyjnymi - mniejszą jednak od dysków SLC. Podzespoły przemysłowe - każdy egzemplarz - poddawane są także szeregu testom, które mają na celu wyeliminowanie nawet w najmniejszym stopniu wadliwych sztuk.

W aplikacjach militarnych, lotniczych, maszynach o kluczowym znaczeniu dla ciągłości procesu produkcyjnego nie należy stosować rozwiązań innych jak SLC. Stosowanie kart i dysków SSD pochodzących z rynku komercyjnego w aplikacjach przemysłowych nie powinno mieć miejsca.