EP Basics: Auswechselbare Speichermedien Flash-Speicherkarten: Überblick und industrielle Verwendung

Autor / Redakteur: Roger Griesemer* / Michael Eckstein

Aus dem Alltag sind Speicherkarten kaum noch wegzudenken. Auch im industriellen Einsatz haben sich die wechselbaren Speichermedien vielfach bewährt. Worauf es dabei ankommt und welche Typen es gibt, zeigt dieser Überblick.

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Langstreckenläufer: Swissbit hat die Evolution der Wechselspeichermedien mit Produkten für den industriellen Einsatz begleitet und bietet weiterhin langfristigen Support für Altsysteme.
Langstreckenläufer: Swissbit hat die Evolution der Wechselspeichermedien mit Produkten für den industriellen Einsatz begleitet und bietet weiterhin langfristigen Support für Altsysteme.
(Bild: Swissbit)

Speichermedien mit NAND-Chips sind keine unendlich haltbaren Produkte zur Datensicherung. Anders als bei Festplatten (Hard Drive Disc, HDD) ist die Anzahl der möglichen Schreibzyklen begrenzt und hängt stark von der verwendeten Speichertechnologie ab. Als NAND-Flash in den 90er-Jahren seinen Siegeszug antrat und zunehmend preislich attraktiv wurde, haben Hersteller Wege gesucht, die vibrationsempfindlichen Magnetfestplatten durch NAND-Flash zu ersetzen.

Aufgrund der eingeschränkten Lebensdauer war es nur sinnvoll, einen austauschbaren Formfaktor zu definieren, der zudem auch noch deutlich kleiner als die 2,5-Zoll- oder gar 3,5-Zoll-HDDs sein sollte. Mitte der 90er-Jahre kam dann die CompactFlash-Karte mit PATA-Schnittstelle (Parallel ATA) auf den Markt.

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CompactFlash Cards

Die CompactFlash-Karten mit Speichergrößen im MByte-Bereich fanden schnell Verwendung als Speichermedium in den ebenfalls neu aufkommenden Digitalkameras. Datenrate und Kapazität der Karten reichte für Bildaufnahmen aus. Als Nächstes hielt der CompactFlash Reader Einzug in Notebooks, denn schließlich wollte man die Bilder ja auch auf einen größeren Bildschirm ansehen und bearbeiten. In diesen Anwendungen waren CompactFlash-Karten allerdings nur ein zusätzliches, transportables Speichermedium als Erweiterung zu den HDDs, die das Betriebssystem und weitere Software beherbergten.

Anders die Situation bei industriellen Anwendungen, etwa in Automatisierungssystemen für Fertigungsstraßen oder in Zugsteuerungen, in Netzwerksystemen oder Casino-Spielautomaten. Hier bot sich die CompactFlash-Karte aufgrund ihrer Robustheit und Unempfindlichkeit gegenüber rotierenden Speichermedien an. Das kleine Format ermöglichte zudem eine weitergehende Miniaturisierung der Industrie-PCs. Die CompactFlash Card (CFC) hat sich über die folgenden Jahre immer weiterentwickelt. Von der Spezifikation Version 1.0 bis zur aktuellen Version 6.0 hat sich die Performance und mögliche Kapazität kontinuierlich erhöht und der Feature-Umfang stetig erweitert.

CFast Card

Parallel dazu gab es eine Umstellung der Schnittstelle. PATA war aufgrund der hohen Anzahl an Signalleitungen und der damit verbundenen großen Stecker und Kabel ein limitierender Faktor und wurde durch die serielle Version SATA (Serial ATA) ersetzt. Neue Systemcontroller kamen ohne Unterstützung für PATA auf den Markt. Somit mussten die Hersteller auch ihre wechselbare Flash-Medien auf die neue Schnittstelle migrieren. Den etablierten und bewährten Formfaktor behielt man bei, nur die Schnittstelle und der Stecker wurden ausgetauscht. Das neue Produkt kam unter dem Namen CFast 2008 auf den Markt.

Da in der Zwischenzeit im Consumer- und Fotomarkt die SD-Karte ihren Siegeszug angetreten hat, gab es wenig Adaptionen der CFast in diesem Marktsegment. Für die industriellen Anwendungen jedoch wurde CFast ähnlich wie zuvor die CompactFlash-Karten eingesetzt. Argumente für den Einsatz waren die höhere Speicherkapazität im Vergleich zu SD-Speicherkarten, der vollständige Schutz der Kontakte vor Berührung und Verschmutzung, die bessere Wärmeabfuhr, angenehmere Haptik, Weiternutzung der IPC-Gehäuse mit CFC-Slot und die deutlich höhere Performance.

Auch die CFast hat einen Generationswechsel durchgemacht: von Version 1 mit maximal 3 GBit/s zu Version 2 mit 6 GBit/s. Spitzenleistungen um die 520 MByte/s sind erreichbar. Das ist Faktor 4 höher als die realistischen 120 MByte/s der CFC.

SATA-Module

Bei SATA bekam die CFast erstmals Konkurrenz im Bereich kleiner Formfaktoren. Während bei PATA kaum Alternativen zu den recht großen 2,5"-SSDs existierten, wurden bei SATA dank des schlanken Interface gleich mehrere neue Formate entwickelt: SlimSATA Mo-297 mit dem gleichen Stecker wie 2,5", allerdings nur halb so groß und ohne Gehäuse. mSATA Mo-300 für den etablierten Mini-PCI-Stecker und schließlich die heute weit verbreiteten M.2-Module mit Längen von 42, 60 und 80 mm. Jede dieser Modultypen hat Vor- und Nachteile und tritt in Konkurrenz zu CFast.

Die mSATA und M.2-Module sind durch den Verzicht auf Gehäuse und Stecker kostengünstiger und brauchen wenig Einbauplatz, die Wärmeabfuhr kann störungsfrei an die Umgebungsluft erfolgen. Trotzdem gibt es gute Gründe für ein austauschbares Medium. Die mSATA-, SlimSATA-, 2,5"-, M.2-Varianten bieten sich für den stationären, festen Einbau in Geräte an. Da ein Wechsel aufwendig ist, muss die SSD so dimensioniert werden, dass sie möglichst über den gesamten Einsatzzeitraum durchhält. Dafür braucht es genügend „Endurance“, also Ausdauer der Speicherzellen. Besonders häufig sind Speicher auf Basis der Single-Level-Cell-(SLC-)Technik beschreibbar – sie ist aber auch die teuerste Variante, da jede Speicherzelle nur ein Bit speichern kann. Zum Vergleich: Chips für den Consumer-Bereich können bereits bis zu fünf Ladungsniveaus und damit Bits pro Zelle unterscheiden. Allerdings ist ihre Langzeitstabilität deutlich geringer.

Vorteil der Austauschbarkeit

Die CFast hingegen kann relativ leicht ausgetauscht werden. Und das auch im Einsatzgebiet unter Umweltbedingungen und Gegebenheiten, die einen Austausch eines internen Speichermediums nicht erlauben. Die Karten sind berührungsgeschützt, man braucht kein Werkzeug zum Tausch, keinen ESD-Schutz – selbst mit Arbeitshandschuhen ist ein Wechsel durchführbar.

Da die Karten im Hot Plug gewechselt werden können, ist die Zeit, in der das System nicht verfügbar ist, minimal. Damit bleiben Embedded-Systeme und Industriesteuerungen sowie Netzwerkgeräte die bevorzugten Zielapplikationen. Hinzu kommt wie schon bei den CompactFlash-Karten die Verwendung in Casino-Spielautomaten, wo beispielsweise aufgrund von Gesetzesänderungen häufiger der Komplettaustausch der Softwareinstallationen erforderlich ist.

Wechsel zur PCIe-Schnittstelle

Auch an den CFast-Karten geht die Innovation nicht vorbei. Gleichermaßen wie beim Wechsel von PATA auf SATA steht derzeit ein Wechsel zu PCIe bevor. PCIe ist der neue Interface-Standard für Storage-Produkte. Version PCIe 3.1 erlaubt Datenraten bis 4 GB/s. Und das neue NVMe-Protokoll ermöglicht sehr geringe Latenzen bei den Host-Treibern und der Controller-Firmware. Es ist also auch hier an der Zeit, ein Wechselmedium im CFast-Stil an die neue Interface-Technologie anzupassen.

XQD-Karten

Erstaunlicherweise kamen die ersten Ansätze hierzu wiederum aus der Profifotografie. Mit dem XQD-Standard haben einige Digitalkamerahersteller eine Speicherkarte mit PCIe-Schnittstelle definiert. Schon 2012 kamen erste Kameras mit der proprietären XQD-Karte auf den Markt. Sie liegt in der Größe zwischen einer SD-Memory-Karte und einer CFast-Karte. Im Gegensatz zu der SD-Karte liegen die Kontakte wie bei den vorigen Karten an der Stirnseite und sind berührungsgeschützt.

CFexpress-Karten

Aus der XQD, die anfangs nur eine einzelne PCIe Lane unterstützte, ging 2017 die CFexpress der CompactFlash Association hervor und wurde damit ein öffentlicher Industriestandard. Um unterschiedliche Performance-Anforderungen abzudecken, gibt es schlanke Typen mit einer einzelnen PCIe Lane (Type A), die zur XQD-kompatible Version Type B mit zwei Lanes und eine deutlich größere 4-Lane-Version Type C. Mit der 2-Lane-Version Type B sind Datenraten um die 1,5 GB/s und somit ein Vierfaches der CFast-Leistung möglich. Damit ist abzusehen, dass die CFexpress-Karte in die gleichen industriellen Applikationen wie bisher Einzug halten wird.

Die Zahl konkurrierender PCIe-Speicherprodukte ist abgesehen von Speziallösungen im Enterprise-Bereich gegenüber den SATA-Varianten geringer geworden. Nur noch der 2,5"-Formfaktor mit Bezeichnung U.2 und der M.2-Formfaktor mit den Formaten 2230, 2242 und 2280 (22 mm Breite, 30, 42, 80 mm Länge) sind übriggeblieben.

Für die CFexpress gelten die schon bekannten Argumente: Hot-Plug-fähig, damit geringe Downtime, schneller Wechsel von Softwareinstallationen und Lizenzen von einem Gerät zu einem Ersatzgerät, berührungsgeschützte Kontakte, geschlossenes Gehäuse zum Schutz vor Umwelteinflüssen sowie sicherer Austausch auch unter rauen Industriebedingungen.

Wärmeentwicklung kann zum Problem werden

Da gesteigerte Leistung mit steigender Wärmeentwicklung einhergeht, gewinnt die Verlustleistung bei Speicherkarten an Bedeutung. Oft befinden sich die Gehäuseöffnungen für die Speicherkarten in der Nähe der CPU, ein kühlender Luftstrom ist nicht vorhanden, die Eigenerwärmung bei Vollbetrieb heizt die Karten bis an ihre Spezifikationsgrenzen auf.

Wichtig beim Einsatz in Industrieanwendungen ist damit ein thermisches Management, das durch angepasste Drosselung der Datenrate die Wärmeentwicklung in Grenzen hält, ohne gleichzeitig die Leistung des Systems zu sehr zu beeinflussen. Zusätzlich sollte NAND-Flash verwendet werden, der den industriellen Temperaturbereich von -40 bis +85 °C abdeckt, insbesondere auch Cross-Temperaturen (unterschiedliche Temperaturen beim Schreiben und Lesen), um genügend Reserve für die Wärmeentwicklung zu bieten.

SDExpress-Karte

Aktuell bewirbt sich ein weiterer Kandidat um den Markt der austauschbaren Medien mit PCIe-Schnittstelle: die SDExpress-Karte. Sie kombiniert das SD-Speicherkartenformat und die SD-Schnittstelle mit einer zusätzlichen PCIe-Schnittstelle. Sie ist rückwärtskompatibel zu bisherigen SD-Karten-Applikationen und gleichzeitig fortschrittlich für den Einsatz in PCIe-Systemen.

Allerdings kombinieren diese Karten die Wärmeentwicklung zweier Interfaces bei sehr geringen Ausmaßen. Ob und inwieweit sich dieser Standard durchsetzen wird, ist derzeit noch nicht abzusehen. Erste Host-Systeme mit Chipsatz für SDExpress kommen voraussichtlich 2021 auf den Markt.

Industrielle Speicherprodukte bleiben oft 20 Jahre in Betrieb

Industrielle Anwendungen haben oft eine Lebensdauer, die Consumer-Anwendungen um ein Vielfaches übersteigen. Es ist nichts Außergewöhnliches, dass Steuerungen in Energieversorgungssystemen oder Zugsteuerungen 20 Jahre im Feld bleiben und somit auch heute noch Austauschspeicherkarten benötigen. Swissbit als Experte für industriespezifische Speicherprodukte liefert seit Anbeginn der CompactFlash-Ära optimierte Karten für anspruchsvolle Anwendungen.

Bei CFast war Swissbit einer der Treiber, um die Karten im Markt zu etablieren, und auch bei CFexpress liefert Swissbit Karten, die für den Embedded-Markt entwickelt worden sind. Doch nicht nur am Anfang der jeweiligen Generationen ist Swissbit aktiv, sondern auch noch, wenn die Produkte in die Legacy-Phase gehen.

Langzeitsupport für Legacy-Systeme

Was im Consumer-Markt unverständlich wäre, ist im industriellen Bereich essenziell: neue Produkte in alten Formaten. Erst kürzlich hat Swissbit mit der C-500, C-50, C-56 eine ganze Familie neuer CompactFlash-Karten auf dem Markt gebracht und mit der C-350 eine SLC-Low-Capacity-Variante vorgestellt, die für besonders langlebige Anwendungen eine kompatible Fortführung früher Generationen ermöglicht.

Bei CFast bringt Swissbit gerade mit der F-800, F-80 und F-86 die vierte Produktplattform auf den Markt, die sich auf industrielle Anwendungen und Netzwerksysteme zielt. Mit etlichen Sicherheitsfunktionen, erweiterter Datenpflege, geringer Stromaufnahme und Schutz vor Datenverlust bei Stromausfall bietet diese Familie alles, was kritische Applikationen brauchen.

Mit demselben Fokus stellt das in Berlin produzierende Schweizer Unternehmen aktuell die G-20-CFexpress-Karte vor, die sowohl mit kostengünstigem 3D-TLC-NAND als auch als G-26 mit langzeitstabilem 3D-pSLC erhältlich ist. Die G-20 CFexpress Type B bietet zwei PCIe Lanes und entsprechend hohe Leistung und kann dank geringer Verlustleistung und einem optimierten Temperaturmanagement im industriellen Temperaturbereich von -40 bis +85 °C arbeiten.

Diese Beispiele zeigen, dass ein Experte für austauschbare Speichermedien in anspruchsvollen Anwendungen nicht nur die Anforderungen an das Design robuster Produkte für harsche Umgebungen erfüllen muss, sondern auch immer noch die Anforderung, die ursprünglich zum Einzug von Speicherkarten ins industrielle Umfeld führte: Die Speichermodule müssen langlebig sein und nachdem sie verbraucht sind, muss einfach austauschbarer Ersatz zur Verfügung stehen.

* Roger Griesemer ist General Manager Memory Solutions bei der Swissbit AG.

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