Teollisen IoT:n sovellukset vaativat paljon muistien valinnalta. Huomioon kannattaa ottaa ainakin nämä kymmenen ominaisuutta, kirjoittaa SMART Modular Technologiesin markkinointijohtaja Arthur Sainio.

Artikkelin kirjoittaja Arthur Sainio on SMART Modular Technologiesin tuotemarkkinoinnin johtaja. Hän vastaa uusien teknologioiden kuten MRAM- ja NVDIMM-muistien kehittämisestä IIoT-, tietoliikenne-, ilmailu- ja puolustussovelluksiin. Ennen SMART Modular Technologiesin palvelukseen siirtymistään hän toimi markkinointijohtajana Hitachi Semiconductorilla. Arthurilla on tutkinnot San Francisco State- ja Arizona State -yliopistoista.

Kun teollisen esineiden Internetin eli IIoT-järjestelmät kehittyvät edelleen, myös luodun datan määrä ja laatu paranevat. Myös IIoT-datan siirto, tallennus ja analysointi muuttuvat. Datahierarkiaa ei ole määrätty, koska tietolähteitä on paljon ja data-asiakkaita on paljon. Valtava määrä dataa ei ole rajoitettu paikallisiin yhteyksiin, jotka palvelevat tarkoitukseen rakennettuja sovelluksia, mutta niitä on saatavana yhteysverkon kautta.

IIoT-ekosysteemissä elektroniikan suunnittelijoiden on pohdittava, minkä muisti- ja tallennustekniikan tulisi olla IIoT-laitteistossa. DRAM--muistia ja flashia käytetään kumpiakin IIoT-sovelluksissa monista syistä, joihin kuuluvat datan ominaisuudet, kestävyys ja luotettavuus ympäri vuorokauden tapahtuvaa käyttöä varten, suorituskyky, virrankulutus, pitkäikäisyys, skaalautuvuus, kestävyys, lämpötila, turvallisuus ja kustannukset.

Datan ominaisuudet

IIoT-dataominaisuudet ovat tärkeä kriteeri määritettäessä käytettävän tallennusvälineen tyyppiä sekä järjestelmän suunnittelussa käytettävän muistin kokoonpanoa. IIoT-järjestelmät, jotka keräävät videodataa, voivat hyödyntää tyypillisiä valtavirran 3D NAND-flashtekniikoita, kuten TCL- (Triple-Level Cell) ti QLC-tekniikoita (Quad-Level Cell), joita käytetään erityyppisissä SSD- ja SD-korteissa. Videokuvan kaappaamisessa jokainen databitti ei ole kriittinen, joten Flash-levyt voivat olla kuluttajalaatuisia.

Tämä pätee myös DRAM-tekniikkaan. Videodata eivät vaadi yritystason DRAM-piirejä tai ECC-virheenkorjausta, joten videon tallennukseen käytettävät IIoT-järjestelmät voivat hyödyntää kuluttajaluokan DRAM-muisteja, joka voi olla integroitu piirikortille tai olla erillinen moduuli. Numeerisen IIoT-datan tallennuksessa on tärkeämpää ylläpitää tietojen eheyttä. Videostriimin analysointi tai seuranta voi vaatia hälytyksiä, jos jokin on vialla. Tällainen on esimerkiksi järjestelmä, joka vaatii lämpötilan valvontajärjestelmää reagoimaan, jos yksi bitti dataa on vaadittujen parametrien ulkopuolella. Näissä tilanteissa jokainen bitti dataa on tärkeä. Flash-välineiden tyyppiä olisi harkittava tarkemmin, jotta kriittistä dataa ei menetetä.

Kuva 1. Taulukossa on vertailtu eri flash-tekniikoita ja niiden tallennus/poispyyhintä-jaksojen määrää (Program/Erase (P/E) cycles).

DRAM:n suhteen olisi syytä harkita ECC-toiminnon lisäämistä järjestelmän suunnitteluun, jotta minimoidaan DRAM-bittivirheongelmat. ECC-toiminnot ovat saatavana sekä yksittäisiin DRAM-muisteihin että moduuleihin.

Kestävyyttä ja luotettavuutta kellon ympäri

Tyypillisesti IIoT-järjestelmät suunnitellaan pitkäaikaiseen jatkuvaan toimintaan. Ympärivuorokautinen toiminta, seitsemän päivää viikossa, on erittäin tyypillinen ulkokäytössä, tehdasprosessien valvonnassa ja automaatiosovelluksissa. Yllä olevaan taulukkoon, jossa verrataan käytettävissä olevien flash-välineiden tyyppejä ja erilaisia P / E-jaksoja, kannattaa viitata valittaessa sopivaa flash-mediaa. Järjestelmäsuunnittelun on flashin suhteen vastattava käyttötapausta ja sitä, kuinka usein tietoja kirjoitetaan flashille ja kuinka kauan se on säilytettävä. Mitä kriittisemmästä datasta on kyse, sitä huolellisemmin flashmuisti on valittava. Esimerkiksi monet teollisuusjärjestelmät käyttävät edelleen teollisuuslaatuisia SLC CF -kortteja. Nämä ovat erittäin luotettavia (ja kalliita) flash-kortteja, joiden luokitus on 100 000 P / E-sykliä, ja jotka on alun perin suunniteltu kameroille. Useissa tapauksissa tavalliset SD-kortit tai MicroSD-kortit voivat kuitenkin täyttää IIoT-laitteiden tallennusvaatimukset.

DRAMilla on rajoittamaton kestävyys, joten sillä ei ole väliä, kuinka monta kertaa dataa voidaan kirjoittaa DRAMille tai lukea siitä. Keskeinen huomio DRAM-muistia valittaessa on luotettavuus. Suuren luotettavuuden saavuttamiseksi IIoT-järjestelmissä on suotavaa käyttää yritysluokan DRAM-tekniikkaa, joka on läpikäynyt kattavamman testauksen. Tämä vähentää tulevien bittivirheiden mahdollisuutta kentällä. Kuluttajaluokan DRAM-muisteissa tilanne on päinvastainen. Jos kriittiseen sovellukseen käytettyä IIoT-järjestelmää ei ole suunniteltu käyttämään ECC DRAM -muistia, vaihtoehto on käyttää yritysluokan DRAM-muisteja, joilla on parempi luotettavuus pitkällä aikavälillä.

Suorituskyky

Aikaisemmassa IIoT-paradigmassa järjestelmät asetettiin vain tallennukseen ja data kerättiin myöhempää analyysiä varten. Nyt uudet IIoT-järjestelmät, kuten SMART Wireless Computingin Qualcomm Snapdragon -prosessoriin pohjautuvat järjestelmämoduulit (SOM) ja yhden kortin tietokoneet (SBC) käyttävät nopeaa muistia ja nopeaa tallennusta, kun analyysi suoritetaan laitteessa reaaliajassa. Esimerkiksi maanjäristyksen ja vuoroveden hälytysten seurantaan käytettävät IIoT-järjestelmät vaativat suurta suorituskykyä.

Jotkut IIoT-järjestelmän toimittajien tuotteet, kuten SMART Wireless Computing, käyttävät vähävirtaista DDR3 eli LPDDR3- ja LPDDR4-muistia mahdollisimman vähän tehoa kuluttavaan toimintaan maksimaalisella suorituskyvyllä. Prosessori, muisti ja tallennusvälineet olisi valittava yhdessä sovelluksen mukaiseksi. Tämän päivän vaatimukset datalle ovat kasvaneet, koska reaaliaikaisen datan hankkimisesta on tullut tärkein huolenaihe liiketoimintakriittisten päätösten tekemisessä. Alla oleva kaavio kuvaa IIoT-järjestelmien suorittimen, muistin ja tallennustilan suorituskykyominaisuuksia.

Kuva 2. Esimerkki sulautetussa IIoT-järjestelmässä käytetystä DDR4-kortista.

Kustannus

Se, minkä tyyppistä muistia ja tallennusvälineitä käytetään, voi dramaattisesti vaikuttaa IIoT-laitteiston kustannuksiin. IIoT-järjestelmissä käytetyn muistin ja tallennuksen kustannukset voivat muodostaa 5-40 prosenttia laitteiston kokonaiskustannuksista. Asteikon ylemmässä päässä on monimutkainen teollisuusautomaatiojärjestelmä, joka käyttää koneoppimisalgoritmeja tunnistaakseen avainmuuttujat ja säätää asetuksia automaattisesti ennalta määrättyjen asetusten perusteella. Tämä johtuu siitä, että järjestelmä vaatii enemmän muistia ja tallennustilaa verrattuna räätälöityyn ECG- eli elektrokardiogrammiseurantalaitteeseen, joka analysoi sydämen sähköistä aktiivisuutta ja visualisoi anturitiedot mobiilisovelluksen kautta.

Tehonkulutus

Järjestelmän virrankulutuksen pienentäminen on hyödyllistä, kun halutaan vähentää energiakustannuksia ja lämpötehoa samalla kun parannetaan järjestelmän luotettavuutta. Matala lämpöteho mahdollistaa pienikokoisen tuulettimettoman suunnittelun, mikä on yleinen vaatimus ankarien olojen (ruggedised) IIoT-sovelluksiin. Suosittu DRAM-ratkaisu on käyttää LPDDR4:tä.

LPDDR4-muistia käytetään mobiililaitteissa ja hyödynnetään IIoT-sovelluksissa. Energian säästämiseksi LPDDR4-piireissä lasketaan nimelliskäyttöjännite 1,1 volttiin. LPDDR4-standardi tukee parannettua virransäästötilaa, joka voi vähentää kellotaajuutta akun säästämiseksi yksinkertaisia taustatehtäviä suoritettaessa.

Tallennukseen käytetään kahta yleistä ratkaisua: UFS 2.0- tai MicroSD -kortteja. UFS 2.0 on flash-muistiin sulautettu ja piirille juotettu ohjaimen (eMMC) osa, joka tuo datan nopean luvun ja kirjoituksen samanaikaisesti. Niitä käytetään laajasti mobiilisovelluksissa akun käyttöiän pidentämiseen. UFS 2.0 kuluttaa normaalisti toiminnassa noin milliwatin verran tehoa ja alle 0,5 milliwattia valmiustilassa.

Pitkäikäisyys

IIoT-järjestelmälaitteita käytetään keskimäärin 7-10 vuotta. Laitteisto sijaitsee usein ulkona tai haastavassa ympäristössä, jossa laitteiden vaihtaminen seuraavan sukupolven järjestelmiin on kallista ja epärealistista. Muisti- ja tallennuslaitteista tulee uusi sukupolvi 18-24 kuukauden välein ja 3-5 vuoden välein täytyy siirtyää uuteen muistiarkkitehtuuriin, esimerkiksi DDR3:sta DDR4:een tai MLC-flashista TLC-tekniikkaan.

Sanomattakin on selvää, että siinä on ongelma. IIoT-järjestelmät vaativat pitkäaikaista tukea ja huollettavuutta. Muistin ja tallennustuotteiden tuen tulisi olla lähellä IIoT-laitteen käyttöikää. Toimitusketjun tukivaatimukset on otettava huomioon IIoT-järjestelmien arkkitehtuurin määrittelyvaiheessa.

Skaalautuvuus

Toinen kriittinen tekijä IIoT-järjestelmissä on skaalautuvuus. IIoT-järjestelmien täytyy pystyä tukemaan kymmeniä tuhansia ohjaimia, robotteja, koneita ja muita tarkoitukseen rakennettuja sovelluksia. Tämä voi tarkoittaa järjestelmissä käytetyn muistin ja tallennustuotteiden tiheyden kasvattamista ja / tai kykyä päivittää olemassa olevia järjestelmiä tehokkaampien tuotteiden käyttämiseksi DRAM- ja flash-tekniikoiden tiheys kasvaa jatkuvasti, mutta esimerkiksi videon resoluutio ja värisyvyys ovat kasvaneet ja vaativat vastaavasti suurempaa tallennustilaa sekä laitteen SSD:ssä että dataa siirrettäessä.

Kestävyys

IIoT-järjestelmiä käytetään joskus toimintaympäristöissä, joihin saattaa liittyä tärinää, kosteutta ja huonoa ilmanlaatua. Näissä olosuhteissa muisti ja tallennustuotteet on suojattava täysin, jotta virheiltä vältytään. Tällaisissa olosuhteissa yleisimpiä ennaltaehkäiseviä toimenpiteitä ovat suojausprosessit ja täytteet sekä erikoiskomponenttien valinta, jotka kestävät rikkidioksidille altistumisen. Toimintaviat näissä käyttöolosuhteissa ilmenevät yleensä vasta kolmantena toimintavuonna. IIoT-järjestelmien testaus- ja kvalifiointiprosessien tulisi sisältää altistuminen näille olosuhteille.

Kun Teollisuus 4.0:n potentiaali alkaa näkyä, ennakoiva ylläpito on yksi testattava tekniikka. Ennustavat ylläpidon tekniikat on suunniteltu auttamaan käytössä olevien laitteiden kuntoa määrityksessä ja arvioimaan, milloin kunnossapito tulisi suorittaa. Tämä lähestymistapa tuo kustannussäästöjä tavanomaiseen tai aikataulutettuun ylläpitoon verrattuna, koska kunnossapitoa tehdään vain tarvittaessa. Mahdollisuus välittää reaaliaikaista dataa tuotantolinjalta pilveen IIoT-sovelluksessa varmistaa, että tuotanto jatkuu keskeytyksettä.

Lämpötila

Kaupallinen lämpötilan toiminta-alue muisti- ja tallennustekniikoille on 0 °C … + 70 °C. Liiallinen lämpötila on yksi muisti- ja tallennusvirheiden yleisimmistä syistä. Teollisuuslämpötiloille (-40 °C… + 85 °C) luokiteltujen muisti- ja tallennustuotteiden, kuten DDR4 ECC SO-DIMM -muistien tai SMART Modular Technologiesin DDR4 MIP -moduulin (Module-in-a-Package, kuva ohessa) käyttö voi dramaattisesti parantaa järjestelmän luotettavuutta.

Turvallisuus

Datan eheys ja verkon reunalla olevien IIoT-laitteiden tietoturva ovat muuttuneet yhä kriittisimmiksi tekijöiksi. IIoT-reunalaitteiston suojaaminen verkkohyökkäyksiltä olisi sisällytettävä järjestelmän suunnitteluun. Sekä IIoT-järjestelmässä käytettävät muisti- että tallennustuotteet voidaan toteuttaa korkeammalla tietoturvatasolla. SSD-levyjen osalta TCG (Trusted Computing Group) Opal on standardi, joka määrittää todennuksen asemassa, joka on vahvempi ja ominaisuuksiltaan laajempi kuin ATA:n tarjoama standardi 256-bittinen salasana. Kun se yhdistetään 256-bittiseen salaukseen, asema on turvallisempi kuin koskaan.

Vaihtoehtoisesti FIPS-informaatiostandardin (Federal Information Standard) julkaisu 140-2 (FIBS PUB 140-2) on liittovaltion salausstandardi sen datan suojaamiseksi, joka vaatii erityistason AES-salausta (Advanced Encryption Standard), todennuksen (kuten TCG Opal), peukalointisuojauksen ja elektronipäästöjen hallinnan. IIoT-reunajärjestelmät saattavat yhä enemmän vaatia jotakin näistä turvastandardeista. DRAM-muistille on saatavana suhteellisen uusi moduulitason suojausvaihtoehto. Se käyttää rekisteröityjen DIMM-moduulien RCD-ohjainta (Register Clock Driver) rekisteröimään ja tallentamaan luvattomat komennot ja osoitteet CPU-piiriltä DRAM-muistiin. Lisäksi voidaan luoda jopa 16 asiakkaan määrittämää tietoturvasääntöä lisäsuojausta varten.

Oikeiden DRAM- ja flash-muistien valinta IIoT-järjestelmään on yhä tärkeämpää, kun Teollisuus 4.0 - teollisen vallankumouksen neljäs vaihe - etenee edelleen valmistuksessa käytetyistä yleisistä sovelluksista maatalouteen ja älykkäisiin kaupunkeihin. IIoT-datan siirtäminen, tallentaminen ja reaaliaikainen analysointi on kriittisen tärkeää IIoT-sovellusten menestykseen kentällä, ja elektroniikan suunnittelijoiden tulisi harkita huolellisesti, kuinka muisti- ja tallennustekniikat voidaan integroida IIoT-laitteistoon. Vain näin voidaan parantaa IIoT-laitteiden suorituskykyä, kestävyyttä ja luotettavuutta, elinkaarta ja skaalautuvuutta ja samalla vähentää laitteistokustannuksia ja virrankulutusta, sekä parantaa turvallisuutta.