NAND-flash: Velg riktig flash-minne for industrielle bruksområder - Elektronikknett
NANDflash-CYP_SLC_Fig_1
Fig. 1: Bruk av NAND flashminne i flere hundre millioner forbrukerenheter, som f.eks. TV-bokser, har drevet prisene ned og gjort det lett tilgjengelig for industrielle OEM-er. (Bilde: Matt Kieffer på CC2.0-lisens)

NAND-flash: Velg riktig flash-minne for industrielle bruksområder

Fag_vignett

Endringer i hvordan industrielt utstyr fungerer fører til stadig strengere systemkrav for lagring av applikasjonsdata. Kan NAND-basert flashminne være en løsning?

Trenden mot å utstyre alle slags enheter med tilkoblingsmuligheter, enten det er under fellesbetegnelsen tingenes internett (IoT) eller i egenutviklede nettverkssystemer, fører til økende minnebruk i integrerte design. Det ekstra minnet gir kapasitet for bufring av innkommende og utgående datapakker. I tillegg lagrer ”smarte” industriprodukter mer sensordata, for å muliggjøre detaljert logging av systematferd og for å bidra til forutsigbart vedlikehold og kostnads- og effektivitetstiltak. 

Tiltalende alternativ
Designere av industriutstyr viser en økende interesse for de ulike variantene av høytetthets, ikke-flyktig (non-volatile) minneteknologier som er tilgjengelig i dag. NAND-flash er et tiltalende alternativ som er lett tilgjengelig, ettersom det brukes i en rekke innvevde systemer (se figur 1 over). 

Det er imidlertid viktige forskjeller mellom komponenttypene som egner seg for prisbevisste forbruksvarer, og de som passer for bruk i oppgavekritisk industriutstyr. Industrielle bruksområder har unike minnekrav. Denne artikkelen beskriver disse kravene og gir en veiledning om hvordan du velger riktig flash-minneteknologi. 

Ulike bruksområder for flash
Designere av industriutstyr som skal velge en ekstern flashminne-IC for første gang, vil ha to hovedtyper av flashminner å velge mellom: NOR- og NAND-flash. De to typene er best egnet til lagring av to ulike typer data (se figur 2). 

NANDflash-Fig2 Fig. 2: Sammenligning av attributter for NOR- og NAND flashminne

NOR-flash er svært pålitelig med svært lav bitfeilfrekvens. Tilfeldig lesetilgang (random read access) er eksepsjonelt rask, mens skrive- og sletteoperasjoner er trege. Typisk NOR flash-størrelser er fra 4 Mbit til 1 Gbit. 

NAND-flash derimot, krever at vertskontrolleren bruker feilrettingskode (ECC). NAND-flash tilbyr rask skriving og sekvensiell leseytelse. Typisk størrelse for NAND-flash er fra 1 Gbit til 128 Gbit. 

NOR-flash har vist seg å være ideelt for lagring av oppstartskode i applikasjoner hvor raske oppstarter er kritisk. Kapasiteten som kreves for applikasjonsdata, er normalt mange ganger mer enn for oppstartskode. I dette tilfellet foretrekkes NAND-flash. 

NAND med høy pålitelighet
Innen kategorien NAND-flash-minne finnes det to typer teknologi: flernivåcelle (MLC) og enkeltnivåcelle (SLC). MLC NAND-flash tilbyr større minnetetthet ved å lagre to bits med data per flashcelle, men er mindre pålitelig. MLC NAND-flash brukes i dag i smarttelefoner, nettbrett og mediaavspillere, som krever størst mulig datakapasitet til en lavest mulig pris. Pålitelighet i disse enhetene er ikke særlig viktig, siden de fleste forbrukere vil erstatte disse enhetene innen ett til to år. 

SLC fremfor MLC
Derimot er pålitelighet ekstremt viktig i industrisegmentet, hvor mange applikasjoner driver oppgavekritiske systemer som er i kontinuerlig drift hele døgnet, hver eneste dag. Derfor foretrekker designere av industriutstyr pålitelig SLC NAND-flash fremfor MLC NAND-flash. I SLC NAND-flash- minneenheter er levetiden vanligvis 100 000 P/E-sykluser (programmér/slett) når de støttes av 4-biters ECC. Dataoppbevaring er beregnet til 10 år (typisk). Levetid for MLC NAND-flash er vanligvis under 5000 P/E-sykluser, så designere av industriutstyr må ha full oversikt over bruksbehovene før de velger hvilken type NAND
flash som skal brukes i det aktuelle systemet.

Andre pålitelighetsvurderinger
For designere av industriutstyr er spørsmålet om pålitelighet for datalagringen i applikasjonene avgjørende. Og kvalitet handler ikke bare om levetid og dataoppbevaring. For NAND-flash-produsenter er det like viktig å implementere industristandard prosesser for å sikre at kundene får produkter av høy kvalitet. Når det gjelder Cypress er kvalitetsprosessene implementert i hele selskapet og validert gjennom tildeling av kvalitetssertifikater som ISO 9001:2008, ISO/TS 16949:2009, ISO 14001:2004 og OHSAS 18001:2007. Cypress' kvalitet måles på kvartalsbasis, og du finner rapporter på www.cypress.com/support/quality-reliability. 

Bilklasse
Cypress tilbyr også produkter som innfrir kravene til bilklassifisering med AEC-Q100-sertifisering. Selv om denne sertifiseringen kanskje ikke kreves av produsenter av industriutstyr, er den likevel en indikasjon på den høye kvaliteten til Cypress' SLC NAND-flash-produkter. Cypress har en lang historikk som en etablert leverandør til bilbransjen, og innfrir det strenge kravet til < 10 ppm feilrate.

Krav til industriutstyr
Selv etter at en bruker er blitt overbevist om påliteligheten og kvaliteten til en SLC NAND-flash-serie, må de likevel forsikre seg om at de spesifikke kravene til industriproduktene blir innfridd. For det første er industrielle applikasjoner ofte utsatt for harde, farlige eller ekstreme driftsforhold. Derfor blir SLC NAND-flash-enheter fra Cypress noen ganger spesifisert til ett av to driftstemperaturområder: -40 til 85 °C, eller -40 til 105 °C. Alternativet med maksimal driftstemperatur på 105 °C er et populært valg, siden det tilbyr de fleste brukere en god sikkerhetsmargin over forventet øvre driftstemperatur. 

Levetid
Det andre viktige kravet for industriutstyr er komponentens levetid. Industrielle produkter har normalt mye lengre livssyklus enn forbrukerprodukter, og løftet om utvidet levetid bidrar til at brukerne unngår å måtte designet systemet på nytt hvis en komponent blir foreldet.

For å imøtekomme disse behovene for utvidet levetid tilbyr Cypress et levetidsprogram for flashminneprodukter, som garanterer minst fem års levetid for visse SLC NAND-produkter fra lanseringsdato. På nettsiden for Cypress NAND flashminner på www.cypress.com/NAND finnes det mer informasjon om dette programmet.

SLC NAND for industri
Som denne artikkelen har vist, kan forbrukerprodukter tolerere et lavere pålitelighetsnivå uten at det påvirker brukeropplevelsen, og for slike bruksområder er bruken av MLC NAND flashkomponenter med svært høy tetthet det mest kostnadseffektive alternativet. 

Imidlertid er kanskje ikke MLC NAND-flash egnet for industrielle bruksområder. Derimot kan SLC NAND-flash med høy pålitelighet ofte være rett teknologi. Men valg av flashkomponent handler ikke bare om å velge SLC fremfor MLC NAND. Tøffe, oppgavekritiske industrielle applikasjoner krever dokumentert kvalitet og evne til å takle ekstreme driftsforhold. Heldigvis er det flere parametere som utstyrsdesignere kan bruke for å evaluere SLC NAND flashkomponenter  og -leverandører for disse anvendelsene, og som gir brukerne mulighet til å ta en informert avgjørelse i henhold til sine krav til kvalitet og pålitelighet. 

Kommentarer