Kompakte eMMC-Speicher für die Industrie

Flash-Speicher für industrielle Anwendungen müssen zuverlässig sein und eine lange Lebensdauer haben. Energie- und platzsparende eMMC-Bausteine kommen in vielfältigen industriellen und Embedded-Anwendungen zum Einsatz. Die Industrial iNAND 7250-Serie von SanDisk, die von MSC Technologies erhältlich ist, zeichnet sich durch eine hohe Datenintegrität, eine hohe Lebensdauer und einen erweiterten Temperaturbereich aus.

Ein Beispiel für die Integration eines eMMC in ein Board

Die intelligente und zuverlässige Speicherung großer Datenmengen ist in Embedded- und HMI-Systemen für die Fabrikautomatisierung, für IoT Gateways, für medizinische Systeme, für Überwachungsanlagen, im Bereich Transportation ein zentrales Thema. Als ein geeignetes Speichermedium bieten sich moderne Flash-Technologien an, z. B. kompakte, lötbare eMMCs (embedded Multimedia Cards). Die eMMC-Produkte werden von der international führenden Organisation für die Entwicklung offener Standards JEDEC spezifiziert und bauen auf dem MMC-Standard auf.

Bei der Auswahl eines geeigneten eMMC-Bausteines steht die Festlegung der benötigten Speicherkapazität an erster Stelle. Die Anwendung gibt vor, ob nur ein Betriebssystem oder zusätzlich größere Datenmengen gespeichert werden. Soll zum Beispiel lediglich das Betriebssystem Linux Platz finden, dann reichen in der Regel 8 GB Speicher aus. Sollte aber mit Windows gearbeitet und eventuell noch zusätzliche Daten gespeichert werden, dann kommen Produkte mit mindestens 32 GB oder sogar 64 GB in Frage. Der eMMC kann partioniert werden, um ein Teil der Kapazität für das Betriebssystem und einen weiteren Bereich für Programme oder für Daten zu reservieren. In diesem Beispiel lässt sich der eMMC in drei Partitionen aufteilen, beispielsweise ein eMMC-Baustein mit 16 GB in 10 GB, 4 GB und 2 GB. Mit Smart Partitioning kann der Anwender einen Speicher nach Bedarf in mehrere Partitionen aufteilen, die auch physikalisch voneinander getrennt sind.

Bei Flash-Speichern für industrielle Anwendungen spielt auf jeden Fall die Zuverlässigkeit und die lange Lebensdauer eine bedeutende Rolle. Ein wichtiges Kriterium für den Einsatz eines eMMCs ist zum Beispiel seine Datensicherheit bei einem plötzlichen Stromausfall. Tritt dieser Fall ein, unterbricht der eMMC seinen Schreibvorgang und sendet eine Fehlermeldung (Error Indication) an den Host. Der Anwender kann den Gesundheitszustand des Speichers als Advanced Health Status Report jederzeit über die Kommandos CMD62 und CMD63 abfragen.

Um den unterschiedlichen Anforderungen der Einsatzbereiche gerecht zu werden, muss der Betriebstemperaturbereich des eMMC-Speichers berücksichtigt werden. Für Indoor- oder Outdoor-Systeme sind Produkte für den erweiterten Temperaturbereich von -25 bis +85 °C bzw. für den industriellen Temperaturbereich von -40 bis +85 °C erhältlich. In der Automobilindustrie kommen in der Regel Bausteine mit einer Temperaturobergrenze von +105 °C zum Einsatz. Auftretende Temperaturschwankungen beeinflussen ebenfalls das Verhalten eines Flash-Speichers, speziell den Datenerhalt (Data Retention). Neben einer sicheren Datenspeicherung bieten eMMCs eine Vereinfachung des Speicher-Managements. Die Speicher lassen sich schnell und zuverlässig in Systeme integrieren und tragen damit zur Optimierung der Time-to-Market des Endproduktes bei. Um eine auf die spezielle Anwendung optimale Lösung zu erhalten, ist die Unterstützung von Storage-Spezialisten wie MSC Technologies gefragt. Das Unternehmen vertritt u. a. die für die Industrie ausgelegten iNAND-Speicherlösungen von SanDisk, die sich durch eine hohe Qualität und Zuverlässigkeit auszeichnen. Der Embedded Flash Drive (EFD) Industrial iNAND 7250 von SanDisk® optimiert vernetzte Geräte im industriellen und IoT-Umfeld. Zu den typischen Anwendungen zählen neben Netzwerkgeräten und IoT Gateways zum Beispiel moderne System-On-Module (SOMs), Sicherheitskameras und kommerzielle Drohnen.

Hohe Speicherkapazität

Die Speicherkapazitäten der Industrial iNAND- 7250 EFD-Serie reichen von 8 GB bis 64 GB. Der eMMC bietet 3,3 V IO-Unterstützung für Legacy- Designs zur Modernisierung alter Systeme. Zu den wesentlichen Features zählen eine automatische und manuelle Datenaktualisierung, RPMB- und Boot-Partition, eine flexible EUDA-Konfiguration (End User Data Area) und ein schneller Boot-Modus. Der Industrial iNAND 7250 setzt auf die Vorteile der Flash-Technologie wie schnelles Boot-Up, eine hohe Zuverlässigkeit und Robustheit und gleichbleibende Performance-Daten. Der leistungsstarke EFD nutzt zur zuverlässigen Datenspeicherung ein LDPC (Low Density Parity Check) / ECC (Error Correction Code) Fehler-Management und eMLC-Speicher. Mit dem LDPC/ECC-Algorithmus können Bit- Fehler erkannt und korrigiert werden. Nähert sich ein Flash-Block dem Ende seiner Lebensdauer, so steigt die Wahrscheinlichkeit eines Bit-Fehlers. Eine intelligente ECC-Funktion setzt eine Zelle nicht einfach bei Erreichen der typischen W/E-Zyklen (write/erase) auf „bad“, sondern ermittelt durch die Fehlerhäufigkeit, wie lange die Zelle noch „good“ ist. Abschließend wird die Zelle durch eine neue Zelle (Spare Blocks) ersetzt oder endgültig auf „bad“ gesetzt und ist beim nächsten Schreiben nicht mehr aktiv. Mit dieser Funktion lässt sich die maximale Anzahl der Schreib- und Löschzyklen erhöhen und die Lebensdauer des Speichers verlängern. Der ECC-Algorithmus wird immer aufwändiger und komplexer, deshalb spielt hier das Know-how des Herstellers eine wichtige Rolle. Der eMLC-Speicher punktet im Vergleich zum Standard-MLC-Speicher mit einer besseren Ausdauer über die Lebensdauer des Speichers, was u. a. zu einer niedrigeren nicht korrigierbaren Bitfehlerrate (UBER) führt. Bis zu 3 K P/E-Zyklen (MLC) und 30 K P/E-Zyklen (SLC) mit zehn Jahren Datenerhalt sind möglich.

Robust und zuverlässig: Die Industrial iNAND 7250-Serie eignet sich für Anwendungen in Embedded- und HMI-Systemen für die Fabrikautomatisierung, IoT Gateways, medizinische Systeme, Überwachungsanlagen und Transportation

Gut programmiertes Wear Levelling für hohe Lebensdauer

Um die Lebensdauer der Speicher zusätzlich deutlich zu verlängern, bietet sich das Wear Leveling an. Die Funktion verteilt die geschriebenen Daten intelligent und erreicht damit eine gleichmäßige Abnutzung aller Flash-Zellen. Ein schlecht programmiertes Wear Leveling kann die Lebensjahre einer eMMC früher als erwartet beenden. Die Firmware beinhaltet ebenso ein Block Management, das entscheidet, wann welcher Block endgültig am Lebensende angekommen ist. SanDisk hat zudem das Write Amplification Management (WAF, Write Amplification Factor) verbessert. Bei einem neuen Schreibvorgang müssen nicht notwendigerweise die bisherigen Flash-Zellen genutzt werden, der Wear Leveling-Algorithmus kann auch bestimmte, andere Zellen auswählen. Damit lassen sich datenintensive Anwendungen so optimieren, dass die EFD auf eine lange Lebensdauer (Endurance) ausgelegt sind. Ideal wäre ein WAF von 1, was in der Praxis jedoch kaum zu realisieren ist. Der industrielle iNAND 7250 ist für Temperaturbereiche von -40 °C bis 85 °C qualifiziert und für die Automotive- Industrie sogar mit Arbeitstemperaturen bis zu +105 °C in dieser Serie erhältlich. Alle SanDisk Industrial Grade-Produkte sind für den industriellen Markt ausgelegt und durchlaufen umfangreiche Tests. ■
Autor: Robert Herth, Senior BDM MSC Technologies