NAND-flash on muodostunut yhdeksi nykyaikaisen elektroniikan laajimmin käsitellyistä tallennusteknologioista, ja siitä on hyvä syy. Kun teollisen automaation järjestelmät ja autoteollisuuden alustat vaativat nopeampaa, luotettavampaa ja tiukempaa tietojen tallennusta, NAND-flash on noussut keskeiseksi ehdokkaaksi näiden vaatimusten täyttämiseen. Sen ymmärtäminen, voiko NAND-flash todella tukea näitä vaativia ympäristöjä, edellyttää tarkkaa tarkastelua sen teknisistä ominaisuuksista, rajoituksista ja suunnittelustrategioista, jotka mahdollistavat sen käytön vaativissa käyttöolosuhteissa.
Lyhyt vastaus on kyllä – NAND Flash -muisti voi tukea teollista automaatiota ja autoteollisuuden sovelluksia, mutta vain huolellisen valinnan ja järjestelmätasoisen suunnittelun avulla. Standardit kuluttajaluokan NAND-flash-muistit eivät ole suunniteltu kestämään teollisuus- ja autoteollisuusympäristöjen tavallisesti aiheuttamia lämpötila-ääriarvoja, värinää, virransyöttöepävakautta ja pitkää käyttöikää. Teollisuusluokan ja autoteollisuusluokan NAND-flash-tuotteet ovat kuitenkin erityisesti hyväksyttyjä näiden haasteiden ratkaisemiseen. Tässä artikkelissa tarkastellaan, mikä tekee NAND-flash-muistin sopivaksi näihin aloihin sekä mitä insinöörien on otettava huomioon oikean NAND-flash-ratkaisun valinnassa.
NAND-flash-perusteet teolliseen käyttöön
Mikä tekee NAND-flash-muistista erilaisen muihin tallennusmuistiin verrattuna
NAND-flash on tyypillinen ei-volatilea muistia, joka säilyttää tiedot ilman virtaa, mikä tekee siitä perustavanlaatuisesti hyödyllisen upotettujen järjestelmien käyttöön, joissa vaaditaan pysyvää tallennustilaa. Toisin kuin DRAM, NAND-flash ei menetä sisältöään, kun virta katkaistaan. Toisin kuin perinteiset kiintolevyt, NAND-flashissa ei ole liikkuvia osia, mikä tekee siitä huomattavasti kovempaa iskuja ja värähtelyjä vastaan. Nämä ominaisuudet asettavat NAND-flashin heti vahvaksi ehdokkaaksi teolliseen automaatioon ja autoteollisuuden käyttöön, joissa mekaaninen luotettavuus ja tiedon pysyvyys ovat neuvottelunvaraisia vaatimuksia.
NAND-flash-tallennetaan tiedot muistisoluun, jotka on järjestetty taulukoiksi, ja jokainen solu voi tallentaa yhden bitin (SLC), kaksi bittiä (MLC) tai useampia bittejä (TLC, QLC). Teollisen automaation ja autoteollisuuden sovelluksissa SLC NAND-flashia suositaan usein, koska se tarjoaa huomattavasti paremman kestävyyden, nopeammat kirjoitusnopeudet ja paremman tiedon säilytyskyvyn korkeammilla lämpötiloilla. MLC NAND-flashia voidaan käyttää myös vähemmän vaativissa teollisissa tilanteissa, mikäli ohjauspiiri ja firmware on optimoitu asianmukaisesti. NAND-flash-solun tyypin valinta on siis yksi ensimmäisistä päätöksistä, jonka insinöörit tekevät kohdattaessaan nämä markkinat.
Lämpötila-alue ja ympäristövaatimusten täyttäminen
Teollisuusluokan NAND-muisti on yleensä luokiteltu toimimaan lämpötilavälillä miinus 40 °C–plus 85 °C, kun taas autoteollisuuden luokan NAND-muisti usein laajentuu plus 105 °C:een tai jopa plus 125 °C:een. Tämä lämpötilasietoisuus on ratkaisevan tärkeää, koska moottorinohjauksessa, akunhallintajärjestelmissä tai tehdastason automaatiolaitteissa käytettävä NAND-muisti kohtaa säännöllisesti äärimmäisiä lämpötiloja, jotka heikentävät tai tuhoavat tavallisen kuluttajan NAND-muistin. Oikean NAND-muistiluokan valinta on siis paitsi suorituskyvyn, myös pitkäaikaisen luotettavuuden kysymys.
NAND-muisti autoteollisuuden sovelluksissa
Keskeiset käyttötavat autoteollisuuden järjestelmissä
NAND-muistin automaatiokäyttökohteet kattavat laajan valikoiman järjestelmiä. NAND-muistia käytetään edistetyissä kuljettajan tukijärjestelmissä (ADAS), viihde- ja tiedotusalustoissa, mittaristoissa, telematiikkayksiköissä ja ilman päivitysverkkojen (OTA) ohjelmistopäivitysmoduleissa. Kaikissa näissä käyttötapauksissa NAND-muistin on tarjottava johdonmukainen lukuteho ja kirjoitusteho samalla kun se kestää autoympäristöön liittyviä erityisiä rasitteita, kuten jännitepiikkejä, sähkömagneettista häiriöitä ja nopeaa lämpötilan vaihtelua. Autoalan vaatimukset täyttävät NAND-muistituotteet on testattu ja sertifioitu AEC-Q100-standardien mukaisesti, mikä takaa, että ne täyttävät autoalan toimitusketjun tiukat laatu- ja luotettavuusvaatimukset.
Tehon menetyksen suojaus on toinen alue, jossa NAND-muistipiirien suunnittelu on erityisen tärkeää autoteollisuudessa. Äkilliset tehonkatkokset — joita aiheuttavat esimerkiksi sytytysjaksojen vaihtelu tai sähkövirheet — voivat vahingoittaa NAND-muistipiirin tallentamaa dataa, jos laitteessa ei ole riittäviä tehonkatkon suojausmekanismeja. Autoteollisuudelle tarkoitetut NAND-muistipiirit yhdistetään yleensä ohjaimiin, jotka sisältävät tehon menetyksen suojauslogiikkaa, mikä varmistaa datan eheytetä myös silloin, kun ajoneuvon sähköjärjestelmä katkeaa odottamatta. Tämä tekee NAND-muistipiireistä luotettavan ratkaisun turvallisuuskriittiseen autoteollisuuden datan tallentamiseen, kun käytetään oikeita komponentteja ja arkkitehtuuria.
Kestävyys- ja tiedon säilytysvaatimukset
Automaalijärjestelmät pysyvät usein käytössä kymmenen vuoden tai pidempään, mikä asettaa tiukat kestävyysvaatimukset kaikille komponenteille, mukaan lukien NAND-flash-muisti. NAND-flash-kehityksen kestävyys mitataan ohjelmointi-poisto- (P/E-) kierroksina, ja SLC NAND-flash-muisti kestää tyypillisesti 100 000 tai enemmän P/E-kierrosta, mikä tekee siitä erinomaisen vaihtoehdon kirjoitusten tiukkuisiin automaalisia lokitietoja ja ohjaussovelluksia varten. Edistyneillä kulun tasausalgoritmeilla varustettu MLC-perustainen NAND-flash-muisti voi myös täyttää automaaliset kestävyysvaatimukset luku-painotteisissa käyttötapauksissa. Tiedon säilyvyys – eli NAND-flash-muistin kyky säilyttää tallennettu tieto vuosikausia ilman virransyöttoa – on yhtä tärkeä ominaisuus, ja autoteollisuudelle tarkoitettu NAND-flash-muisti on testattu siten, että sen tiedon säilyvyysaika vastaa tai ylittää ajoneuvon odotettua käyttöikää.
NAND-flash-muisti teollisessa automaatiassa
NAND-flash-muistin integrointi ohjelmoitavaan logiikkaan ja ohjausjärjestelmiin
Teollisessa automaatiossa NAND-muisti toimii usein ohjelmoitavien logiikkalaitteiden, mikro-ohjaimien ja FPGA-piirien kanssa firman, konfiguraatiotietojen ja toimintalokien tallentamiseen. NAND-muisti toimii pysyvänä muistitasona ohjelmoitavissa logiikkasäätimissä (PLC), ihmisen ja koneen välisten rajapintojen (HMI) ja reuna-laskennan solmupisteissä. NAND-muistin kyky kirjoittaa ja poistaa tietoja järjestelmässä mahdollistaa firman päivitykset, parametrien säätämisen ja vikatietojen tallentamisen ilman laitteen irrottamista laitteistosta. Tämä järjestelmässä tapahtuva ohjelmoitavuus tekee NAND-muistista erinomaisen käytännöllisen tallennusvälineen monimutkaisissa teollisuuden automaatioarkkitehtuurissa.
NAND-flashin ja FPGA:iden sekä teollisuusluokan logiikkapiirien yhdistelmä mahdollistaa erinomaisen joustavien ja laajennettavien automaatiopalvelualustojen suunnittelun. Esimerkiksi FPGA voi suorittaa reaaliaikaista ohjauslogiikkaa, kun taas NAND-flash tallentaa konfiguraatiobitstreamin ja sovellustiedot. Tätä yhdistelmää käytetään yleisesti robotiikassa, CNC-koneissa ja prosessiohjausjärjestelmissä, joissa ovat tärkeitä sekä suorituskyky että sopeutuvuus ja pitkäaikainen luotettavuus. Teollisuuden käyttöön tarkoitetut NAND-flash-komponentit, jotka täyttävät laajennetut lämpötila- ja luotettavuusvaatimukset, ovat välttämättömiä näissä suunnitelmissa, ja niiden hankinta kelpaavilta toimittajilta varmistaa, että valmis järjestelmä täyttää odotetun käyttöiän.
Luotettavuusstandardit ja teollisuuden käyttöön tarkoitettujen NAND-flash-komponenttien sertifiointi
Teollinen NAND-flash-muisti on altis tiukille kvalifiointiprosesseille, joihin kuuluvat laajennettu lämpötilakokeilu, kosteusaltistus, värähtely- ja iskukokeilut sekä kiihdytetty elinikäkokeilu. Standardien, kuten IEC 61508 toiminnalliselle turvallisuudelle tai ISO 26262 autoteollisuuden turvallisuudelle, noudattaminen lisää vielä yhden varmuustason insinööreille, jotka suunnittelevat turvallisuuskriittisiä järjestelmiä. Kun NAND-flash-muistia arvioidaan teolliseen automaatioon, insinöörien tulisi tarkistaa komponentin kvalifiointiasiakirjat, käyttöiän arviot ja yhteensopivuus kohdejärjestelmän ohjausliitännän kanssa, olipa kyseinen liitäntä SPI, rinnakkainen NAND vai eMMC. Asianmukainen NAND-flash-kvalifiointi poistaa merkittävän kenttävirheiden riskilähteen teollisissa käyttöönottotilanteissa.
Usein kysytyt kysymykset
Mikä on kuluttaja- ja teollisuusluokan NAND-flash-muistin välinen ero?
Kuluttajaluokan NAND-flash on suunniteltu kohtalaisille lämpötilavaloille ja rajoitetuille kestävyyskierroksille, jotka sopivat henkilökohtaisiin elektroniikkalaitteisiin. Teollisuusluokan NAND-flash on rakennettu toimimaan luotettavasti laajemmillä lämpötilavaloilla, korkeammilla poisto-/kirjoitus- (P/E) -kierrosmäärillä ja ankarammissa ympäristöolosuhteissa. Teollisuuden NAND-flashia testataan yleensä myös tiukemmin kuin kuluttajaluokan vaihtoehtoja.
Voiko NAND-flashia käyttää turvallisuuskriittisissä automaalieljärjestelmissä?
Kyllä, AEC-Q100 -sertifioidun autoteollisuuden NAND-flashin voidaan käyttää turvallisuuskriittisissä järjestelmissä, kun se yhdistetään asianmukaisiin virhekorjausmenetelmiin, virtakatkos-suojaukseen ja järjestelmätasoisesti turvalliseen suunnitteluun. Insinöörien on varmistettava, että valittu NAND-flash täyttää tietyn sovelluksen määrittelemät toiminnallisen turvallisuuden vaatimukset, mukaan lukien asiaankuuluvat ISO 26262 -standardin ASIL-tasot.
Miten NAND-flashin kestävyys vaikuttaa teollisuusjärjestelmien suunnitteluun?
NAND-flash-muistin kestävyys, joka mitataan ohjelmointi-/poistokyklien (P/E) lukumääränä, vaikuttaa suoraan siihen, kuinka kauan tallennuskomponentti kestää järjestelmän odotetulla kirjoitustasolla. Insinöörien on laskettava arvioitu kirjoitustilavuus tuotteen käyttöiän aikana ja valittava NAND-flash-muistityyppi — SLC, MLC tai TLC —, jonka kestävyysarvo ylittää kyseisen kuormituksen. NAND-flash-ohjaimessa toteutetut kulun tasausalgoritmit auttavat jakamaan kirjoitukset tasaisesti ja pidentävät NAND-flash-laitteen käyttökelpoista elinikää.
EN
