IIoT, teollisuuden IoT, Teollisuus 4.0. Uudella vallankumouksella on monta nimeä ja se asettaa uudenlaisia vaatimuksia kaikille laitteille. Myös flash-tallennukselle, kirjoittaa Winbondin Alex Wei.

Teollisuuden neljäs vallankumous, jota myös Teollisuus 4.0:ksi kutsutaan, perustuu teollisuuden laitteiden ja prosessien laajamittaiseen digitalisointiin. Trendi laajentaa nyt melkein kaikkien teollisuuskoneissa ja -järjestelmissä käytettävien elektronisten komponenttien tärkeitä ominaisuuksia.

Haihtumaton muisti ei ole poikkeus. Haihtumaton muisti haastetaan vastaamaan Teollisuus 4.0 -suunnittelujen uusia vaatimuksia viidellä keskeisellä tavalla:

• Kustannukset
• Koko
• Nopeus
• Tehonkulutus
• Suojaus

Vaikka erilaiset vaihtoehtoiset haihtumattomat muistiteknologiat yrittävät edelleen sitä haastaa, on tuttu flash-tekniikka kehittynyt nopeimmin ja tehokkaimmin vastaamaan näihin uusiin haasteisiin. Tässä artikkelissa kuvataan flash-muistien viimeaikaisia innovaatioita, jotka auttavat järjestelmäsuunnittelijoita toteuttamaan uusia laitesuunnitteluja Teollisuus 4.0 -sovelluksiin.

Teollisuus 4.0:n vaatimukset

Yrityskonsultti McKinsey määrittelee Teollisuuden 4.0 näin: ”Siinä on kyse seuraavasta vaiheesta valmistussektorin digitalisoinnissa, joka johtuu neljästä muutostekijästä. Näitä ovat hämmästyttävä datamäärien, laskentatehon ja liitettävyyden kasvu, erityisesti uudet pienitehoiset LPWAN-verkot, analytiikan ja liiketoimintaälykkyyden syntyminen, sekä ihmisen ja koneen välisen vuorovaikutuksen uudet muodot, kuten kosketusrajapinnat ja lisätyn todellisuuden (AR) järjestelmät, ja parannukset digitaalisten ohjeiden siirtämisessä fyysiseen maailmaan, joka näkyy edistyksellisenä robotiikkana ja 3D-tulostuksessa.”

Teollisuus 4.0 -laitteet ovat merkittäviä "big datan"tuottajia ja hyödyntäjiä, minkä on tehnyt mahdolliseksi aina käytössä oleva Internet-yhteys. Kun LPWAN-verkot lisääntyvät tehtaissa, varastoissa ja teollisuuskampuksilla, toimitusketju pystyy yhä useammin jakamaan reaaliaikaisia tuotteiden, varastojen ja muiden resurssien seurantatietoja kehittyneiden analysointiohjelmistojen avulla pilvessä.

Tämän digitalisaation räjähdyksen taustalla on anturilaitteiden, kuten langattomasti luettavien RFID-tunnisteiden massiivinen käyttöönotto. Nämä laitteet, jotka toimivat akkuvirralla tai jopa kerätyllä energialla, vaativat usein erittäin pienitehoisen muistikomponentin lokitiedon tallentamiseen.

Uudet ohjaustekniikat asettavat aivan toisenlaisen haasteen teollisuuslaitteille. Kaikesta autonomisten ajoneuvojen ympärillä olevasta hypestä huolimatta ihmiskuskeista eroon pääseminen tuo valtavat tehokkuus- ja turvallisuushyödyt tehtaissa ja varastoissa, joissa otetaan ensiksi käyttöön autonomiset ajoneuvot, kuten trukit ja kuljetusvaunut (katso kuva 1).

Kuva 1: Autonominen Linde R-MATIC -työntömastotrukki kuljettaa jopa 1,6 tonnin lavoja täysin automaattisesti korkealla oleviin varastohyllyihin (kuva: Linde).

Samoin lisätty todellisuus (AR) ja virtuaalitodellisuus (VR) tunnetaan parhaiten kuluttajateknologioina, mutta ne tarjoavat tehtaalla suuret potentiaaliset hyödyt esimerkiksi manuaalisen kokoonpanon, huolto- tai korjaustoimien apuna.

Näiden kehittyneiden sovellusten uudet toteutukset toimivat laajalla sovelluskoodiperustalla, joka on paljon suurempi kuin on tyypillistä nykypäivän teollisuuslaitteissa. Tämä tuo painetta teollisuuden järjestelmäsuunnittelijoille löytää sellaisia koodin tallennusratkaisuja, jotka vastaavat suuresti kasvaneisiin kapasiteettivaatimuksiin ilman, että materiaalikustannukset ja piirikorttien koko merkittävästi kasvaa.

Lopuksi yleinen teema kaiken tyyppisissä Teollisuus 4.0 -laitteissa on liitettävyys, mikä tuo mukanaan riskin turvallisuuden vaarantumisesta. Turvalliset haihtumattomat muistipiirit voivat tuoda laitetason suojauksen arkaluontoisiin teollisuusverkkoihin takaamalla samalla niiden laitteiden aitouden, jotka tallentavat koodia ja dataa Teollisuus 4.0 -laitteisiin.

Flash-tekniikan evoluutio Teollisuus 4.0 -aikakaudelle

Vuosien varrella erilaiset haihtumattomat muistiteknologiat ovat väittäneet olevansa flashia parempia tavalla tai toisella. Vakiintuneena tekniikkana flashin edut haihtumattomassa tallennuksessa ovat kuitenkin ilmeiset:

• Tuttu tekniikka
• Todistettu kymmenissä tuhansissa sovelluksissa
• Saatavana suurina määrinä hyvin laajana tuotekirjona, josta järjestelmän suunnittelija voi valita joustavan vaihtoehdon
• Maailman johtavien muistipiirivalmistajien, mukaan lukien Winbond, resurssien tuki. Nämä valmistajat investoivat jatkuvasti flash-valmistustekniikan, kotelointien sekä piirien suorituskyvyn ja ominaisuuksien parantamiseen.

Nyt flash-piirien valmistajat vastaavat nopeasti ja tehokkaasti täyttääkseen Teollisuus 4.0 -laitteiden ja -järjestelmien valmistajien uudet muistivaatimukset tuomalla markkinoille uusia ratkaisuja, jotka on optimoitu kustannusten, koon, suorituskyvyn, tehon tai turvallisuuden suhteen.

Koteloinnovaatiot

Puolijohdeteollisuuden suosima menetelmä koon ja kustannusten pienentämiseksi on prosessin kutistaminen. Teollisuus 4.0 -laitteissa käytettävien hig-end -mikro-ohjaimien kohdalla tämä koskee CPU-piiriä. Monet huippuluokan MCU-valmistajat haluavat nykyään siirtyä 4xnm-prosesseista 3xnm-prosesseihin hyötyäkseen paremmasta suorituskyvystä ja kustannusten alenemisesta. 3xnm-piireissä MCU-sirulla integroitu NOR-tyyppinen flash-piiri kuitenkin itse asiassa, ja NOR-flashin kutistaminen alle 4x nanometrin viivanleveyksiä on osoittautunut ongelmalliseksi.

Winbond on innovoinut yhteistyössä MCU-valmistajien kanssa tarjotakseen pinotut piiriratkaisut yhdistämällä 3xnm-prosessissa valmistetun MCU-sirun 4xnm-prosesissa valmistettuun NOR-flash -piiriin yhdessä kotelossa. Näin voidaan tarjota optimaalinen yhdistelmä pientä kokoa, suorituskykyä ja koodin tallennuskapasiteettia suuren suorituskyvyn teollisuuden suunnitteluihin.

Tehonkulutusinnovaatiot

Langattomia älytunnistimia eli -tageja tai etikettejä käytetään yhä enemmän teollisissa sovelluksissa reaaliaikaisen seurantatiedon tuottamiseksi, esimerkiksi lämpötilan ja kosteuden jatkuvaan seurantaan, kun pilaantuvia tavaroita tai lääkkeitä kuljetetaan. Ne edellyttävät kykyä tallentaa mahdollisesti suuriakin määriä lokitietoja, mutta samalla toimintaa erittäin pienillä paristoilla tai jopa ympäristöstä kerätyllä energialla.

Erittäin matalajännitteisten akkujen tai kerätyn energian käytön tukemiseksi kehitetään erillisiä flashpiirejä, jotka toimivat tyypillisen ulkoisen flashin 1,8 volttia alhaisemmalla jännitteellä. Esimerkiksi Winbond toimittaa SpiFlash NOR -tyyppisiä 1,2 voltin W25QxxNE- ja 1,5 voltin W25QxxND-piirejä 8-nastaisissa koteloissa (katso kuva 2). Laitteet tarjoavat parhaimmillaan 52 Mt/s tiedonsiirtonopeuden, ja ne tukevat standardia dual- ja quad-tyypin SPI-liitäntää ja QPI-liitäntää (Quad Peripheral Interface).

Kuva. 2: Winbondin 8 megabitin, 1,2 voltin 25Q80NEXIG-piiri 2 x 3 -millisessä USON8-kotelossa package (kuva: Winbond).

Suorituskykyinnovaatiot

SPI NOR ja sarjamuotoinen NAND ovat teollisuuden ydinteknologioita. Ne tarjoavat pienikokoisia, alhaisen nastamäärän ratkaisuja koodin ja datan tallentamiseen. Mutta näiden laitteiden tavanomainen sarja-arkkitehtuuri voi toimia rajoittavana tekijänä nopeudelle, jolla dataa voidaan lukea ja kirjoittaa. Tämän takia niiden tiedonsiirtonopeus voi jäädä vastaavia rinnakkais-flasheja hitaammaksi.

Winbond on innovoinut uuden, tehokkaan sarjamuotoisen NAND-tekniikan. Yksitasoinen solu eli SLC-NAND tarjoaa erittäin luotettavan tallennusvälineen teollisissa sovelluksissa. Suuri tiedonsiirtonopeutta vaativissa sovelluksissa suunnittelijat ovat perinteisesti käyttäneet NOR-flashia, joka tarjoaa alhaisemman tiheyden ja siten korkeamman bittihinnan kuin NAND, mutta suuremman tallennusnopeuden.

Winbond on tuonut markkinoille W25N01JW-piirin. Kyse on 1 gigabitin serial-NANDista, jonka suurin tiedonsiirtonopeus on 83 megatavua sekunnissa. Tämä vastaa SPI NOR -piirien nopeutta. Vieläkin vaikuttavampaa on, että Winbond-arkkitehtuuri tukee 8- eli octo-kokoonpanoa. Siinä kaksi dual-sarjaliitännällä varustettua piiriä kaksinkertaistavat tiedonsiirtonopeuden parhaimmillaan 166 megatavuun sekunnissa (katso kuva 3).

Tämä riittää tukemaan vaativia, runsaasti dataa sisältäviä grafiikkasovelluksia tarjoamalla korkean kapasiteetin ja edullisen vaihtoehdon NOR-flasheille yli 512 megabitin tiheyksillä. Autoelektroniikkaan kvalifioitu W25N01JW on jo suunnitteilla ajoneuvojen mittaristoihin, ja se soveltuu yhtä hyvin teollisiin autonomisiin ajoneuvoihin ja AR/VR-sovelluksiin.

Kuva 3: W25N01JW-piirin dual-quad -arkkitehtuuri (kuva: Winbond).

Turvallisuusinnovaatiot

Teollisuus 4.0 -maailman kattava liitettävyys altistaa laitteet vaaralle, että rikolliset toimijat tunkeutuvat verkkoihin vaarantavat käyttäjien yksityisyyden tai varastavat tietoja. Suunnittelijoiden käytettävissä on monia keinoja turvallisuusriskien torjumiseksi. Yksi tärkeä toimenpide on laitteistopohjainen todennus, jolla taataan, että vain valtuutetut laitteet jakavat tietoja verkon kautta.

Tarjotakseen laitteistotodennuksen kriittisille ohjelmistoille, kuten käynnistyskoodille Winbond on ottanut käyttöön W74M-tuoteperheen todennusmuistiratkaisut. Kukin W74M-osa sisältää SPI-flashmuistin ja turvapiirin monisirumoduulissa. Laite on suojattu tavallisella HMAC-SHA-256-salauskiihdyttimellä ja neljällä flash-laskurilla, jotka on HMAC-allekirjoitettu yksittäisillä salausavaimilla. W74M antaa järjestelmäsuunnittelijoille mahdollisuuden toteuttaa monikerroksinen todennus koodin ja datan tallentamiseen verkon reunalla tai pilven ulkopuolella.

Todennusmuistiin tallennetun koodin tai tietojen käyttö on suojattu turva-avaimella, joka on yksilöllinen jokaiselle valmistetulle piirille. Verkkoon suuntautuvan peukaloinnin tai tunkeutumisen yhteydessä todennusmuistille tallennettu käynnistyskoodi tai data pysyy suojattuna sen varastamis-, muokkaus- tai heikentämisyrityksiltä.

Flash kehittyy vastaamaan Teollisuus 4.0:n vaatimuksiin

Koodin ja datan haihtumaton tallennus on yksi monista teollisuuslaitteiden toiminnallisista elementeistä, ja kun Teollisuus 4.0 kehittyy kohti yhä kattavampaa digitalisointia ja data-analytiikkaa, kasvaa kysyntä suuremmalle haihtumattomalle muistikapasiteetille, nopeammalle tallennukselle, pienemmälle tehonkulutukselle ja myös alhaisimmille kustannuksille.

Kuten tässä artikkelissa on osoitettu, uudet tuotekehitykset SPI NOR- ja sarjamuotoisissa flash-piireissä auttavat varmistamaan, että flash-tekniikka säilyttää paikkansa teollisuuslaitteiden suunnittelijoiden suosimana haihtumattomana muistina, kun he siirtyvät Teollisuus 4.0 -aikakauteen.