NAND Flash Speicher für das Internet der Dinge: Trends und Herausforderungen

Redakteur: Holger Heller

IoT, Netzwerke von Geräten, intelligente Datensammler mit ständigem Datenaustausch erlauben es, dass komplexe Ecosysteme integrierter Hardware zusammenarbeiten - für nahezu jede Industrie.

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Zusammen mit der wachsenden Entwicklung der Technologie bekommen Speicher eine immer bedeutendere Rolle, als kritische Komponente im IoT, wo Leistung, Kompaktheit, Langzeitverfügbarkeit und Zuverlässigkeit unter extremen Bedingungen zählen. Maschinengenerierte Daten kommen in zwei Varianten, was zwei völlig unterschiedliche Herausforderungen schafft. Zum einen sind große Datenmengen, wie Videos oder Log-Files von Sensoren oder Rekordern, die in den Milliarden von Daten zufällig zugegriffen werden müssen. Weil NAND-Speicher seitenorientiert arbeiten, bedeutet das, dass diese zufälligen Zugriffe den Speicher extrem abnützen und seine Lebensdauer verkürzen.

Verschiedene Anwendungen im IoT erfordern das Vorabladen von Daten in den Speicher. Diese Anwendungen erfordern höchste Zuverlässigkeit beim konstanten Lesen, wie z.B. das Betriebssystem (OS) oder Langzeitspeicherung von Daten (z.B. Anwendungsprogramme). Die Anforderung des Speichers, die Daten sehr lange zuverlässig zu speichern, über einen weiten Temperaturbereich ist daher wichtig. Lese-intensive Speicher bergen erhebliche Risiken für Störungen und Datenintegrität.

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Dieser Autorenbeitrag ist in der Printausgabe ELEKTRONIKPRAXIS 10/2015 erschienen. Diese ist auch als kostenloses ePaper oder als pdf abrufbar.

Fehlerkorrektur-Code mit integriert

IoT-Hardware in industriellen Anwendungen wird normalerweise in extremen Umgebungen eingesetzt, z.B. extreme Temperatur, Feuchtigkeit, Druck, Vibrationen, Stoß, Strahlung, Dunst, Sand, Netzteilinstabilität, usw. Langzeitzuverlässigkeit unter diesen Bedingungen ist daher wichtig. Um zu verhindern, dass der NAND-Speicher degradiert, sollte der Entwickler die Programmierung an die Flash-Speicher-Seitenarchitektur anpassen. Schreiben von Files, die größer sind als eine Speicherseite ist jedenfalls zu bevorzugen und kann die Lebensdauer des Speichers verlängern, da es mit dem integrierten Algorithmus übereinstimmt.

Zur Optimierung steht ATPs NAND Flash Monitor zur Verfügung, der dem Entwickler helfen kann, die Anwendung auf reduzierte Schreibzyklen zu optimieren. Integriert in den Host, und mit Überwachung der „Spare Utilization Rate“, hilft dies, den Zustand des Speichers zu erkennen und zu warnen, wenn kritische Werte erreicht werden, die den Speicher als „Nur-Lese“-Speicher degradieren würden.

Lesestörungen und Datenverlust sind hier die wichtigsten Faktoren, die bei Flash-Speichern im Flash-Controller-Mechanismus verhindert werden, indem ECC-Checks (Fehlerkorrektur-Code) eingebaut sind, die Lesefehler korrigieren, und den betroffenen Block danach sperren und die Daten in unbeschädigte Blöcke verschieben. Mit dem Einsetzen des Intervall „Auto-Power-on“-Algorithmus kann dieser Prozess automatisiert werden und Datenverlust verhindert werden (ATP Autorefresh und ATP AutoScan).

ATP führt umfangreiche Tests auf NAND-Chip-Ebene durch. Damit und inklusive Simulation und Analyse von Umgebungsbedingungsmodellen, mit Konditionen und Temperaturprofilen für die Massenproduktion und das Filtern von Defekten, wird höchste Zuverlässigkeit garantiert. Desweiteren werden Ein-/Ausschalt-Zyklustests durchgeführt, um sicherzustellen, dass keine Daten verloren gehen.

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