Duża niezawodność to podstawowy wymóg odbiorców pamięci i dysków przemysłowych

| Wywiady

O tym, jak przemysłowe dyski i moduły pamięci różnią się od wersji konsumenckich rozmawiamy z Wiesławem Wilkiem, prezesem firmy Wilk Elektronik. Zapraszamy do lektury!

Duża niezawodność to podstawowy wymóg odbiorców pamięci i dysków przemysłowych
  • Pamięci masowe są dostępne na rynku w wersjach konsumenckich, czyli przeznaczonych do sprzętu powszechnego użytku, oraz jako rozwiązania przemysłowe. Jakie są między nimi zasadnicze różnice?

Pamięci oraz dyski przemysłowe i wersje konsumenckie to produkty podobne do siebie, jeśli chodzi o podstawowe cechy użytkowe, takie 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 w wersji przemysłowej 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, a czasem obudową, które to cechy 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 marki Goodram Industrial wykonujemy po to, aby mieć całkowitą pewność, że 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.

  • Czy pamięci przemysłowe kupuje się z katalogu jako produkty standaryzowane, 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 – trzymamy je na stanie magazynowym i możemy od ręki dostarczyć. Jednakże zdecydowana większość produktów tego typu jest wytwarzana na zamówienie. Często są one produkowane pod konkretne specyfikacje techniczne i wymagają dodatkowych operacji technologicznych, a nawet specjalnej funkcjonalności. Tego rodzaju dyski projektujemy i produkujemy w ramach projektów, bo taka jest specyfika rynku przemysłowego.

Sądzę, że zyskujemy przewagę w tym, że jesteśmy niedużą firmą w porównaniu do gigantów takich jak Samsung i możemy przygotować dysk pod specyfikację klienta. Typowe zapotrzebowanie jest bowiem zbyt małe, by zrealizował je dla niego gigant technologiczny taki, jak chociażby wspomniany Samsung. Stawiamy zatem na dalszy rozwój biznesu opartego o realizację pamięci pod indywidualne wymagania naszych klientów. Ubiegły rok był dla nas pod tym względem bardzo dobry, mamy zatem silne podstawy, by rozwijać nasz udział w tym segmencie rynku.

  • Jak 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 pamięci 3D TLC (3 bity na komórkę). Im starsza technologia, tym zapis charakteryzuje się większą trwałością. W aplikacjach przemysłowych dominującą opcją staje się 3D NAND. Dzieje się tak dlatego, że 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. Dzieje się tak z uwagi na planowane przez nich zakończenie produkcji w przyszłości.

Kolejna różnica kryje się w funkcjonalności kontrolera, a więc w możliwości kastomizacji 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.

  • Czy niska temperatura jest problemem w produktach przemysłowych? W jakich maksymalnych temperaturach mogą pracować Wasze dyski?

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

Jeżeli chodzi o temperatury ujemne, to odpowiem, że dla układów pamięci nie temperatura jest problemem, ale jej nagłe zmiany. Duże znaczenie mają tu montaż i dobór materiałów, ponieważ absorbcja wilgoci i nagłe zmiany temperatury mogą powodować pękanie połączeń lutowanych.

  • Wróćmy do tematu produkcji pamięci – czy układy w wersjach przemysłowych są wytwarzane w oparciu o ten sam proces półprzewodnikowy co elementy konsumenckie?
 
Wiesław Wilk, prezes firmy Wilk Elektronik

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, a także wie, które chipy będą pracować w szerokim zakresie temperatur – 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, czyli firma taka jak Samsung lub Kioxia, bo ma on największą wiedzę i doświadczenie na temat projektu i technologii półprzewodnikowej oraz dysponuje urządzeniami do takich badań.

Z powyższego powodu jako firma postawiliśmy na ścisłą współpracę i zakup komponentów właśnie od tych dostawców i wyłącznie z klasy przemysłowej. Mamy pełne zaufanie do wskazanych producentów pod względem 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 jeszcze spory zapas.

  • Na ile projekt układu dysku SSD jest unikatowy dla danego producenta, a na ile 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 referencja, 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 aby 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 pozostaje 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 różnicują to, co potem ma odzwierciedlenie w cenie. Podstawowy kontroler konsumencki kosztuje np. 3 dolary, a wersja przemysłowa już trzy razy więcej.

  • Czy zdarzają się reklamacje na dyski przemysłowe?

Są one rzadkością i raczej związane są z uszkodzeniami powodowanymi przekroczeniem wyspecyfikowanych parametrów pracy danych pamięci lub starzeniem produktu. Należy podkreślić, że pamięci przemysłowe są urządzeniami elektronicznymi i ich również dotyczą prawa fizyki. Niemniej 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 standaryzowane jakości zarówno podzespołów elektronicznych użytych do produkcji, jak również oprogramowania. 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.

  • Pamięci Flash mają ograniczoną liczbą cykli zapisu, więc na ile da się je wiarygodnie przetestować w czasie produkcji?

W tym przypadku testy są zaprojektowane tak, aby nie powodować zużycia wpływającego na cechy produktu i późniejszy okres jego eksploatacji. Wykorzystywany przez nas proces testowania pozostaje dość złożony. Pierwszym etapem jest walidacja podzespołów półprzewodnikowych, w ramach której wykonujemy testy zniszczeniowe. Pamięci są „zamęczane” operacjami zapisu i kasowania danych w podwyższonej temperaturze, 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 tych testów zyskujemy wiedzę na temat warunków granicznych eksploatacji i do tych danych dobieramy potem parametry testów produkcyjnych, tak aby gwarantowały 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 w trakcie kontroli optycznej AOI. Takie błędy się naprawia, dokonując tzw. reworku, i nie ma w tym 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.

  • Na koniec jeszcze pytanie o zastosowania produktów konsumenckich w aplikacjach profesjonalnych. Dawniej była to częsta praktyka – jak jest dzisiaj?

Zauważamy, że na rynku nadal występuje ten trend i dotyczy on głównie 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. Nawet utrata danych niewielkiej instalacji monitoringu może stanowić problem dużej wagi, dlatego również 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, mając na uwadze budżet, niemniej jednak trzeba pamiętać o kosztach związanych z potencjalną awarią i obsługą serwisową. Z naszego doświadczenia wynika, że nie oszczędzają na nośnikach danych ci, którzy produkują drogi sprzęt, np. obrabiarki CNC. Dla nich kilkadziesiąt dolarów różnicy nie ma znaczenia. Ale jeśli ktoś bije się z konkurencją w przetargu na, powiedzmy, 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 winny stanowić główne elementy przetargowe.

  • Dziękuję za rozmowę.

Rozmawiał Robert Magdziak