Sulautetut järjestelmät on suunniteltu erittäin luotettaviksi ja suorittamaan tarkoin määriteltyjä, dedikoituja tehtäviä tehokkaasti. Usein niissä käytetään kulutuslaitteista tuttuja flash-muisteja. Niiden valintaan kannattaa kiinnittää tarkkaan huomiota.

Sulautettujen järjestelmien markkinoilla käytetään nykyään monia erityyppisiä flash-muisteja. Flash-tallennuslaitteet tallentavat yleensä järjestelmän käynnistyskoodin, käyttöjärjestelmän, sovellusohjelmiston ja tärkeät tiedot, jotka eivät voi kadota. Flash-tallennuslaitteiden tyypillisiä sovelluksia ovat teolliset ohjaus-, testaus- ja mittausjärjestelmät, verkkoreitittimet ja -palvelimet, tietoliikennelaitteet, lääkinnälliset laitteet ja maksupäätejärjestelmät. Sulautettujen järjestelmien maailmanmarkkinoiden odotetaan kasvavan vuoden 2016 noin 86 miljardista dollarista 126 miljardiin dollariin vuoteen 2025 mennessä (Kenneth Researchin markkina-analyysi, 2020).

Sulautetut järjestelmät on suunniteltu erittäin luotettaviksi ja suorittamaan tarkoin määriteltyjä, dedikoituja tehtäviä tehokkaasti. Nämä ominaisuudet puolestaan auttavat ohjaamaan tietyissä sovelluksissa käytettäviä flash-tallennuslaitteita. Monet sulautetut järjestelmät käyttävät perinteisiä tallennuslaitteiden formaatteja, kuten flash-muistikortteja ja erilaisia SSD-levyjä. Teollisuuden trendit vaikuttavat sulautetuissa sovelluksissa käytettävien tallennuslaitteiden tyyppiin ja muotoon. Esimerkiksi CompactFlash (CF) -kortit, jotka on alun perin suunniteltu digitaalikameroille, löysivät tiensä sulautettuihin sovelluksiin ja niitä käytetään edelleen. Tämä suuntaus jatkuu, kun SD- ja microSD-kortit, USB-muistit, SSD-asemat ja viime aikoina eMMC-tuotteet otetaan käyttöön sulautetuissa järjestelmissä.

Kun flash-muistien valikoima laajenee jatkuvasti, ja jokaisella on omat ominaisuutensa ja monimutkaisuutensa, suunnitteluinsinöörit eivät voi valita haluamaansa kuluttajalaitteista tuttua tallennuslaitetta ja suunnitella sitä sulautetussa sovelluksessaan. Vaikka flash-muisteilla on käyttöluokitukset esimerkiksi yritys-, palvelinkeskus- ja sulautettuihin teollisiin sovelluksiin, ominaisuuksissa on paljon päällekkäisyyksiä. Oikean flash-muistin valitseminen sulautettuun sovellukseen riippuu monista tekijöistä, kuten tallennusjärjestelmän käyttöliittymästä, suorituskyvystä ja tehosta, vaaditusta muistiformaatista, tallennuskuormasta, kapasiteetista, NAND-tekniikasta ja muista erityisistä laitteistovaatimuksista, kuten tietojen salauksesta ja virrankatkaisuista. Suunnittelijoiden on tärkeää ymmärtää, mitä yleisiä tallennuslaitteita voidaan käyttää sulautetuissa sovelluksissa ja mitkä ovat niiden edut ja haitat.

Sulautettujen järjestelmien avainvaatimukset

Sulautetut järjestelmät ovat sen teknologian ja sovellusten ytimessä, jotka määrittelevät jokapäiväisen kokemuksemme. Näiden sovellusten flash-tallennustilan käyttömallit ovat erittäin pirstoutuneita, koska on tarpeen tukea monenlaisia työkuormia ja tallennustapoja eri sovelluksissa. Korkean luotettavuuden, ympärivuorokautisen käytön ja vaativissa käyttöympäristöissä on kuitenkin yleisiä tarpeita.

Sulautettuihin järjestelmiin suunnitelluilla flash-muisteilla on joitakin yhteisiä ominaisuuksia: ne ovat pienempiä, käyttävät vähemmän virtaa ja niissä on pienempi kapasiteetti. Fyysisen formaatin lisäksi muita usein huomioitavia asioita flash-laitteiden valinnassa sulautettuihin sovelluksiin ovat kestävyys, pitkä tuotteen elinkaari ja kustannukset. Seuraavassa taulukossa on yleiskatsaus sulautettujen järjestelmien flash-muisteista etuineen ja haittoineen.

Taulukosta kannattaa panna merkille, että vakiintunut järjestelmän laitteisto- ja ohjelmistotuki ovat merkittäviä tekijöitä, kun päätetään, mikä tallennustuote otetaan mukaan suunnitteluun. Virrankulutus, suorituskyky, kustannukset ja laitetyyppi/formaatti ovat myös eri tekniikoiden etuluettelon kärjessä. Haittapuolten kannalta kannattaa huomata, että vaikka jotkut muistituotteet ovatkin valtavirtaa muuten, niillä ei ole tarvittavaa suorituskykyä. Kompromisseja on otettava huomioon esimerkiksi virrankulutuksessa, suuremmissa vähimmäistiheyksissä ja isäntäkokoonpanon kanssa. Seuraavassa kuvataan muutamia esimerkkejä sulautetuissa sovelluksissa käytetyistä SSD-tuotteista.

Yksi sulautettujen sovellusten yleisimmin käytetyistä tallennustuotteista on eMMC-kortti. JEDECin ja MultiMediaCard Associationin vuonna 2006 kehittämiä sulautettujen sovellusten eMMC-kortteja käytetään laajasti. Teknologia oli tarkoitettu käytettäväksi kannettavissa laitteissa, kuten matkapuhelimissa, mutta sitä käytetään nyt laajalti IIoT-, tietoliikenne- ja verkkosovelluksissa. Lisäominaisuudet, kuten konfiguroitava muisti, ja laajemmat käyttölämpötilat aina + 85 ° C tai jopa + 105 ° C asti tekevät niistä ihanteellisia sulautettuihin sovelluksiin.

Kuva. 1 eMMC-kortteja teollisuuden automaatiolaitteissa.

eMMC:tä käytetään usein juotettuna yleiskäyttöisenä Flash-tallennuslaitteena - aivan kuten SSD-levyjä - tehtaan automaatiolaitteissa, joissa on pieni kuormitus. Tässä esimerkissä eMMC:n käyttäjälle varattu tallennustila on määritetty parannetuksi tallennusvälineeksi (Enhanced Storage Media eli pSLC-tila) kestävyyden lisäämiseksi. Se toimii myös laajennetulla lämpötila-alueella -25 ° C … + 85 ° C. eMMC-tuote valittiin myös tälle sovellukselle sen pitkän käyttöiän takia.

Kuva 2. M.2 2280 -tyyppinen SSD, jota käytetään datanhallintaan ja suojausalustana.

Yllä olevassa tiedonhallinta- ja suojausalustasovelluksessa 240 gigatavun PCIe NVMe SSD -asemaa käytetään käynnistysasemana ja tietojen tallennuslaitteena. Toisin kuin tavalliset SSD-tuotteet, joissa ollaan siirtymässä suurempaan kapasiteettiin (yli teratavuun), tämän sovelluksen vaadittu tallennuskapasiteetti on vain 240 gigatavua. Tekemällä yhteistyötä alhaisemman kapasiteetin SSD-levyihin erikoistuneiden toimittajien kanssa OEM-valmistajat voivat välttää maksamasta suuremmista SSD-asemista kuin mitä he tarvitsevat.

Kolmas esimerkki on verkkolaite, jossa on useita flash-tallennustuotteita, joita käytetään eri alustoilla: sulautettu USB-muistitikku, mSATA-väyläinen SSD ja CF-kortteja. Näitä käytetään käynnistysasemina erittäin luotettavissa reitittimissä ja kytkimissä. Jotkut tarvittavista erikoisominaisuuksista ovat esimerkiksi kestävät, rikkiä estävät vastukset, vaatimusten mukainen pinnoite, parannetut yritysohjelmisto-ominaisuudet tietojen eheyden ja luotettavuuden varmistamiseksi sekä pitkäaikainen tuotetuki.

Kuva 3. Verkkolaitteissa käytettäviä SSD-tuotteita.

Kuten yllä olevassa taulukossa on esitetty, sulautetuissa järjestelmissä yleisesti käytettyihin SSD-levyihin liittyvät edut ja haitat käsittävät laajan valikoiman näkökohtia. Kypsä laitteisto- ja ohjelmistotuki, hyvä suorituskyky, alhainen virrankulutus, kestävyys ja juotettu/irrotettava ovat kaikki tärkeitä positiivisia tekijöitä, jotka liittyvät yleisten flash-tallennusvaihtoehtojen käyttöön sulautetuissa järjestelmissä. Huolta herättävät kuitenkin heikko suorituskyky, viive, suurempi virrankulutus, teollisuuden standardoinnin puute, korvaavien tuotteiden löytyminen ja tuotteiden pitkäikäisyys.

Sulautettujen järjestelmien suunnitteluja käytetään usein uudelleen seuraavan tuotteen lanseerausjakson lyhentämiseen, mistä tulee aikaavievää, jos suunnittelijoiden on seurattava kuluttajien flash-tallennustuotteiden ja flash-tekniikan elinkaarien nopeita muutoksia. Aloittamalla perusvaatimuksista, kuten tallennusjärjestelmän liitännästä, laitetyypistä ja työkuormista sulautettujen järjestelmien suunnittelijoilla on hyvät lähtökohdat määrittää järjestelmänsä kannalta paras tallennusvaihtoehto.