11 juni 2020
Geheugen en opslag voor IIoT
De overwegingen
Naarmate Industrial Internet of Things (IIoT) blijft evolueren, neemt ook de hoeveelheid en kwaliteit van de gecreëerde data toe. De opslag en analyse van IIoT-data verandert ook. Er is echter geen voorgeschreven gegevenshiërarchie omdat er veel gegevensbronnen en veel gegevens-clients zijn. Evenzo is er de hoeveelheid data die van vele kanten kan komen. Binnen het IIoT-ecosysteem moeten ontwerpers dan ook overwegen welke geheugen- en opslagtechnologieën er in de IIoT-hardware moeten worden toegepast. Dynamic Random Access Memory (DRAM) en flash worden beide gebruikt vanwege verschillende factoren, waaronder unieke gegevenskenmerken, betrouwbaarheid voor 24/7-gebruik, prestaties, stroomverbruik, lange levensduur, schaalbaarheid, robuustheid, temperatuur, beveiliging en kosten.
Wat voor data er moet worden opgeslagen is een belangrijke maatstaf bij het bepalen van het type opslagmedia dat wordt gebruikt, evenals de configuratie van het geheugen in het ontwerp van een IIoT-systeem. Systemen die videogegevens verzamelen, kunnen gebruikmaken van gangbare 3D NAND-flashtechnologieën zoals Triple-Level cell (TLC) of Quad-Level Cell (QLC) NAND die worden gebruikt in verschillende soorten SSD’s en SD-kaarten. Bij het vastleggen van videogegevens is elk stukje data niet kritisch, dus de Flash-media kunnen van consumentenkwaliteit zijn. Dit zou ook gelden voor de DRAM-technologie. Voor video is geen DRAM van hoge kwaliteit vereist evenals Error Correction Code (ECC). Bij numerieke IIoT-gegevens kan dit anders zijn. Neem bijvoorbeeld een systeem dat temperatuurbewaking nodig heeft. Een bit dat omvalt, kan grote invloed hebben. In deze situaties telt elk stukje data. Bij het gebruik van flash-geheugen moet dan ook goed gekeken worden naar het type en het aantal schrijf- en wiscycli om ervoor te zorgen dat kritieke gegevens niet verloren gaan (zie tabel 1).
Tabel 1. Deze tabel vergelijkt de soorten beschikbare flashmedia en verschillende programmeer/wiscycli (P/E).
Met betrekking tot DRAM is het de moeite waard om Error Correction Code te overwegen om eventuele bitstoringsproblemen te minimaliseren. ECC-functionaliteit is beschikbaar in enkele DRAM’s (ECC DRAM) of in diverse modules.
24/7 gebruik
IIoT-systemen zijn veelal ontworpen voor langdurig continu gebruik. Vierentwintig uur per dag, zeven dagen per week is niet ongebruikelijk. De hoeveelheid data die per dag opgeslagen moet worden, is bij het gebruik van flash-geheugen een belangrijke parameter voor de keuze welk type ingezet moet worden. Veel industriële systemen gebruiken bijvoorbeeld nog steeds industriële SLC CF-kaarten. Dit zijn zeer betrouwbare (en dure) flash-kaarten met een classificatie van 100.000 P/E-cycli die oorspronkelijk waren ontworpen voor camera’s. In veel gevallen kunnen standaard SD-kaarten of MicroSD-kaarten voldoen aan de IIoT-vereisten voor gegevensopslag.
DRAM kan daarentegen onbeperkt beschreven worden. Er zijn hierbij dus geen problemen met het aantal keren dat gegevens naar de DRAM kunnen worden geschreven of gelezen. De belangrijkste overweging bij het selecteren van DRAM is betrouwbaarheid. Voor IIoT-systemen met hoge betrouwbaarheid is het wenselijk om kwaliteits-DRAM te gebruiken. Bitstoringen zijn hiermee veelal kleiner dan goedkope DRAM voor consumentenapplicaties. Gebruik daarbij het liefst ECC-DRAM en als dat niet kan, geheugen uit het hogere segment om zo een hogere betrouwbaarheid op lange termijn te garanderen.
Prestaties
Verwerking van data vindt vaak ook plaats in het IIoT-systeem zelf. Ook dan worden er veelal hoge eisen gesteld aan de integriteit van de data. Daar komt echter het energiegebruik bij. Low Power DDR3 (LPDDR3) en LPDDR4-geheugen zijn dan goede geheugentypen. De CPU en het geheugen moeten samen worden gekozen om op één lijn te komen met de applicatie. De gegevensvereisten van vandaag zijn intensiever geworden omdat het verkrijgen van realtime gegevens een topprioriteit is geworden voor het nemen van bedrijfskritische beslissingen. Bedenk wel dat IIoT-hardware-kosten sterk afhankelijk kunnen zijn van het geheugen dat wordt gebruikt. De kosten van geheugen kunnen tussen de vijf en veertig procent van de totale hardware-kosten bedragen.
Afbeelding 1. Een voorbeeld van een DDR4-geheugenkaart die wordt gebruikt in embedded IIoT-systemen.
Stroomverbruik
Het verlagen van het energiegebruik van het systeem is gunstig voor het verlagen van de energiekosten en de warmteontwikkeling terwijl het de betrouwbaarheid van het systeem verhoogt. Een systeem met een laag thermisch vermogen maakt een compact ontwerp zonder ventilator mogelijk, hetgeen een algemene eis is voor robuuste IIoT-toepassingen. Een populaire DRAM-oplossing is om LPDDR4 te gebruiken. LPDDR4 wordt gebruikt voor o.a. mobiele apparaten. Om energie te besparen, kan LPDDR4 DRAM werken met een nominale bedrijfsspanning van 1,1 V. De LPDDR4-standaard ondersteunt een verbeterde energiebesparende lagefrequentiemodus, die de kloksnelheid kan verlagen voor verdere batterijbesparing bij het uitvoeren van eenvoudige achtergrondtaken.
Voor opslag worden twee veelgebruikte oplossingen gebruikt: UFS 2.0- of MicroSD-kaarten. UFS 2.0 is een embedde Multi-Media controller (eMMC) die zowel snel kan lezen als schrijven naar flash-geheugen en taken tegelijkertijd kan voltooien. Deze worden veel gebruikt in mobiele toepassingen om de levensduur van de batterij te verlengen. Het energiegebruik van een UFS 2.0 is ongeveer één milliwatt en minder dan 0,5 mW in de stand-by-mode.
Gebruiksduur
IIoT-systemen zullen over het algemeen minstens zeven tot tien jaar mee moeten gaan. Gedurende deze tijd moet het systeem niet alleen probleemloos kunnen functioneren, maar liefst ook zo flexibel zijn dat eisen van morgen geen probleem opleveren. Neem bijvoorbeeld de ontwikkelingen aangaande de resolutie van foto’s en video. De afgelopen jaren is de resolutie explosief omhoog gegaan, hetgeen betekent dat de dichtheid van de geheugen- en opslagproducten aanzienlijk groter is geworden. Met dergelijke ontwikkelingen moet een IIoT-systeem ook rekening houden. Het kunnen upgraden van bestaande producten is dus wenselijk. Gelukkig worden DRAM- en flash-geheugens ook steeds groter.
Temperatuur
Het commerciële temperatuurbereik voor de meeste geheugens is 0 °C tot +70 °C. Een te hoge temperatuur is één van de meest voorkomende oorzaken van geheugen- en opslagstoringen. Het gebruik van geheugen- en opslagproducten die zijn geclassificeerd voor industriële temperaturen (-40 °C tot + 85 °C), zoals DDR4 ECC SO-DIMM’s of een DDR4 MIP (Module-in-a-Package – zie afbeelding 2) kan zorgen voor een aanzienlijke verhoging van de betrouwbaarheid van het systeem.
Afbeelding 2. Een voorbeeld van een DDR4 MIP (Module-in-a-Package) van SMART ModularTechnologies.
Beveiliging
Gegevensintegriteit en IIoT edge-beveiliging zijn steeds kritischer geworden. Het beschermen van de IIoT edge-systeemhardware tegen cyberaanvallen moet worden opgenomen in de overwegingen bij het ontwerp van het systeem. Zowel geheugen- als opslagproducten die in het IIoT-systeem worden gebruikt, moeten geschikt zijn voor hogere beveiligingsniveaus. Voor SSD’s is Trusted Computing Group (TCG) Opal de standaard die authenticatie definieert op een niveau dat beter en meer functies heeft dan een standaard 256-bits wachtwoord van ATA. In combinatie met 256-bits-codering is dit veiliger dan ooit. Als alternatief is er de Federal Information Standard (FIPS) Publication 140-2 (FIBS PUB 140-2). Dit is een standaard voor het beschermen van overheidsgeheimen die specifieke niveaus van Advanced Encryption Standard (AES) vereisen. IIoT-edge-systemen kunnen in toenemende mate één van deze beveiligingsnormen vereisen.
Voor DRAM is er een relatief nieuwe beveiligingsoptie voor DRAM-modules beschikbaar. Dit gebruikt de Register Clock Driver (RCD) op geregistreerde DIMM’s om ongeautoriseerde opdrachten en adressering vanuit de CPU te detecteren. Daarnaast kunnen tot 16 door de klant gedefinieerde beveiligingsregels worden toegevoegd voor extra bescherming.
Tot slot
Het selecteren van de juiste DRAM- en flash-producten om IIoT-systemen te ondersteunen, zal van toenemend belang worden aangezien Industrie 4.0 zich blijft ontwikkelen van algemene toepassingen die worden gebruikt in de industrie tot landbouw en slimme steden. In al deze gevallen wordt er data verzameld, verwerkt, geanalyseerd en verstuurd waarbij geheugen en dataopslag natuurlijk een belangrijke rol spelen. Een goede keuze voor de toegepaste componenten kan de hardwarekosten verlagen evenals het energiegebruik en zorgt er voor dat in kritische situaties bits niet omvallen of componenten defect raken. Daarbij mag ook de beveiliging van data niet vergeten worden, want ondanks alle positieve ontwikkelingen die ons te wachten staan, blijven hacker op de loer om dingen te doen die ongewenst zijn.
Auteur: Arthur Sainio, SMART Modular Technologies
