Pamięć Flash i dyski SSD. Różnice w klasie komercyjnej i przemysłowej

Trwałość i niezawodność

Zakres temperatur

Zależnie od przeznaczenia danego urządzenia i środowiska w jakim pracuje, komponenty składowe charakteryzują się pewnymi standardowymi parametrami. Na przykład urządzenia konsumenckie, jak komputery stacjonarne, laptopy czy smartfony, najczęściej wyposażone są w pamięć pracującą w zakresie temperatur od 0°C do 70°C. Aplikacje przemysłowe często eksploatowane są w zupełnie innych warunkach. Specjalistyczne urządzenia mogą pracować w środowisku, gdzie występują duże wahania temperatur lub stale jest zimno albo gorąco. Podobnie jest z wilgotnością, której wysoki poziom może negatywnie wpływać na elektronikę. Pamięć klasy przemysłowej jest zaprojektowana tak, by działać wydajnie i niezawodnie nawet pod wpływem opisanych czynników. Jest to możliwe dzięki użyciu specjalistycznych, odpowiednio wysortowanych, komponentów, od płytki PCB, przez elementy pasywne aż po kontroler czy kości pamięci. W pamięciach Flash do zastosowań przemysłowych stosuje się dodatkowe rozróżnienie w postaci grade’u temperaturowego. Najczęściej klient przemysłowy decyduje się na wybór jednego z dwóch rozwiązań: pierwszego, zdolnego do pracy w zakresach temperatur: –25 do 85°C lub drugiego, przeznaczonego do najbardziej wymagających aplikacji, gwarantującego prace w zakresie –40 do 85°C.

Wskaźnik niezawodności

Parametr określający średni czas bezawaryjnej pracy, który jest najczęściej wykorzystywany w branży przemysłowej i elektronicznej to MTBF (Mean Time Between Failures), który zazwyczaj wyraża się w godzinach. Im wyższa jego wartość, tym wyższa niezawodność urządzenia. Mówiąc inaczej, wskaźnik MTBF określa, jak często ze statystycznego punktu widzenia dochodzi do awarii systemu lub jego elementu. Produkty przemysłowe charakteryzują się wyższą wartością MTBF, zazwyczaj od 2 milionów godzin i więcej, w porównaniu do produktów komercyjnych, których MTBF wynosi najczęściej ok. 1 500 000 godzin.

Jakość wykonania i odporność na czynniki zewnętrzne

Moduły DRAM, dyski SSD czy pamięć Flash do zastosowań komercyjnych pracują zazwyczaj w bezpiecznym środowisku tj., nienarażonym na czynniki atmosferyczne, czy skrajnie niskie lub wysokie temperatury. Przeciwieństwo stanowią warunki, w których często eksploatuje się pamięć dla przemysłu – mogą to być miejsca z mocną ekspozycją na słońce, wilgoć, drgania, wstrząsy, promieniowanie czy zanieczyszczenia. Z tego powodu konieczne jest zastosowanie w produkcji takich komponentów lub zabezpieczeń, które zagwarantują poprawne działanie pamięci w docelowym urządzeniu, a których nie spotkamy w zastosowaniach komercyjnych. Z rozwiązań podnoszących odporność urządzeń na trudne warunki można wymienić pokrycie konformalne (confromal coating), powłokę antykorozyjną, gold finger (styki pokryte warstwą złota) czy side fill (ochrona lutowanych połączeń przed naprężeniami).

Technologie pamięci Flash

Dyski SSD, karty SD/microSD, eMMC, pamięci USB, CFast czy CFexpress, bazują na pamięci NAND Flash. Ta z kolei dzieli się na kilka typów. Odróżnia je liczba bitów, które można zapisać w każdej komórce pamięci. Ta cecha przekłada się na kluczowe różnice między typami pamięci NAND, jakimi są wytrzymałość, pojemność i koszt wytworzenia. Ze względu na budowę i sposób przechowywania informacji w komórkach pamięci NAND Flash, układy pamięci można podzielić na:

• SLC (Single-Level Cell) – do jednej komórki zapisuje się jeden bit informacji. Pamięć SLC charakteryzuje się najdłuższą żywotnością odczytu i zapisu danych. SLC można spotkać w najbardziej wymagających rozwiązaniach przemysłowych i serwerowych.
• MLC (Multi-Level Cell) – do jednej komórki zapisują się dwa bity informacji, czyli w komórce występują cztery poziomy napięcia elektrycznego pozwalające rozróżnić stany obu bitów. Technologia ta pozwala na osiągnięcie większych pojemności niż w SLC, ale za to jest mniej wytrzymała i wolniejsza. Wielu konsumentów wybiera MLC ze względu na dobry balans między ceną a wydajnością i wytrzymałością.
• pSLC (Pseudo-Single-Level Cell) – oferuje kompromis między SLC a MLC, zapewniając wyższą wytrzymałość niż MLC, ale przy niższym koszcie niż SLC. W tym przypadku również jeden bit przypada na jedną komórkę. Możliwe jest to dzięki odpowiedniemu przeprogramowaniu pamięci MLC, która symuluje pracę układu SLC.
• TLC (Triple-Level Cell) – do jednej komórki zapisują się trzy bity informacji, przez co dla rozróżnienia ich stanów musi występować osiem poziomów napięcia elektrycznego. Na rynku dostępne są układy TLC w układzie wertykalnym (3D TLC), które dzięki coraz lepszej jakości zyskują również zaufanie klientów przemysłowych.
• QLC (Quad-Level Cell) – do jednej komórki zapisują się cztery bity informacji, występuje aż szesnaście poziomów napięcia elektrycznego. Ta technologia nie jest stosowana dla rozwiązań przemysłowych ze względu na niższą wytrzymałość. Jednakże jest to ekonomiczny wybór dla użytkowników komercyjnych, którzy przy wyborze pamięci do magazynowania danych stawiają na przystępną cenę. Użycie pamięci QLC w produktach NAND Flash zyskuje na popularności.

Podsumowując, rozwiązania 3D TLC i QLC są przeważnie stosowane w elektronice konsumenckiej, oferując wyższe pojemności przy niższych kosztach, ale z mniejszą wytrzymałością i niezawodnością w porównaniu do SLC, MLC i pSLC , które z kolei stosowane są w przemyśle.

Cechy i funkcjonalność

Produkty Goodram Industrial wykorzystują najnowsze technologie, aby zapewnić niezawodność do określonej wartości TBW (Total Bytes Written). Są to najważniejsze cechy pamięci, dzięki którym można je wykorzystywać w przemyśle.

Klasa przemysłowa

• Zaawansowana korekcja błędów (ECC) i mechanizm wyrównywania zużycia: dyski SSD i pamięci Flash są wyposażone w funkcję ECC i algorytmy wyrównywania zużycia, aby przedłużyć ich żywotność i zapewnić integralność danych.
• Stały BOM (Bill of Materials): zapewnia spójność w wydajności i jakości produktu. Każda jednostka w partii ma te same komponenty, co gwarantuje niezawodność w czasie kolejnych cykli produkcyjnych i dostaw do klientów.
• Zarządzanie produktem: obejmuje kompleksową dokumentację techniczną, monitoring rynku oraz rozwiązania szyte na miarę potrzeb klienta, zapewniając długoterminowe wsparcie i stabilność.

Klasa komercyjna

• Podstawowa korekcja błędów i wyrównywanie zużycia: chociaż urządzenia klasy komercyjnej posiadają funkcję korekcji błędów i wyrównywanie zużycia, opcje te są zazwyczaj mniej zaawansowane niż w produktach klasy przemysłowej.
• Zmienny BOM: komponenty całego układu pamięci mogą się różnić między partiami produkcyjnymi.
• Standardowy cykl życia produktu: produkty komercyjne mają krótsze cykle życia, niż w sektorze przemysłowym.

Zastosowania

Jak wynika z artykułu, zależnie od rodzaju pamięci Flash, może ona być używana w szerokim spektrum aplikacji i urządzeń zależnie od swojej pojemności, wytrzymałości i prędkości. Przyjrzyjmy się, w jakich zastosowaniach przemysłowych i komercyjnych operuje pamięć NAND Flash.

Klasa przemysłowa

• Trudne warunki: idealne do użytku w automatyce przemysłowej, lotnictwie, obronności i innych zastosowaniach, gdzie warunki są ekstremalne, a niezawodność jest kluczowa.
• Systemy krytyczne: odpowiednie do systemów wymagających wysokiej niezawodności i długoterminowego wsparcia, takich jak urządzenia medyczne, infrastruktura telekomunikacyjna i centra danych.

Klasa komercyjna

• Elektronika konsumencka: zaprojektowana do codziennego użytku w urządzeniach takich jak smartfony, laptopy i aparaty cyfrowe, gdzie środowisko pracy jest kontrolowane i mniej wymagające.
• Ogólne zastosowanie: odpowiednie do zastosowań, gdzie priorytetem jest efektywność kosztowa, a nie ekstremalna niezawodność i trwałość.

Wybór między pamięcią Flash i SSD klasy komercyjnej a przemysłowej zależy w dużej mierze od zamierzonego zastosowania. Produkty klasy przemysłowej oferują wyższą trwałość, niezawodność i spójność, co czyni je niezastąpionymi w trudnych i wymagających środowiskach. Z kolei produkty klasy komercyjnej zapewniają ekonomiczne rozwiązania dla codziennej elektroniki konsumenckiej, równoważąc wydajność z przystępnością. Zrozumienie tych różnic jest kluczowe przy wyborze odpowiedniego rodzaju pamięci do określonych potrzeb.