Bild 1: Der autonome Schubmaststapler Linde R-MATIC transportiert palettierte Ware bis 1,6 Tonnen vollautomatisch in Hochregale. In diesem Bereich werden autonome Lösungen als erstes Fuß fassen. (Bild: Linde)
Nichtflüchtige Speicher stehen in Zukunft vor der großen Herausforderung, die neuen Anforderungen der Industrie-4.0-Designs in den fünf wesentlichen Bereichen – Kosten, Größe, Geschwindigkeit, Stromverbrauch sowie Sicherheit – zu erfüllen. Auch wenn verschiedene alternative, nichtflüchtige Speichertechnologien weiterhin eine gewisse Rolle spielen, so ist es die bewährte und bekannte Flash-Technologie, die sich derzeit am schnellsten und erfolgreichsten entwickelt, um die neuen Herausforderungen zu meistern. Dieser Artikel beschreibt die jüngsten Innovationen bei Flash-Speicherprodukten, die Systementwickler bei der Implementierung neuer Gerätedesigns für Industrie 4.0-Anwendungen unterstützen sollen.
Anforderungen von Industrie 4.0
Bild 1: Der autonome Schubmaststapler Linde R-MATIC transportiert palettierte Ware bis 1,6 Tonnen vollautomatisch in Hochregale. In diesem Bereich werden autonome Lösungen als erstes Fuß fassen. Linde
Die Unternehmensberatung McKinsey definiert Industrie 4.0 als „die nächste Phase der Digitalisierung der verarbeitenden Industrie, die durch vier große Technologietrends vorangetrieben wird: mehr Daten, stärkere Rechenkapazität und bessere Vernetzung, insbesondere durch die neuen Low Power Wide Area Networks (LPWAN); das Entstehen neuer analytischer Möglichkeiten und von Geschäftsintelligenz; neue Formen der Mensch-Maschine-Interaktion, Touch-Interfaces und Augmented Reality (AR); Verbesserungen beim Transfer digitaler Anweisungen in die physische Umgebung, zum Beispiel als fortgeschrittene Robotik und 3D-Druck.“
Industrie-4.0-Geräte zeichnen sich durch die umfangreiche Erzeugung und Nutzung großer Datenmengen (Big Data) aus, begünstigt durch eine ständig aktive, allgegenwärtige Verbindung zum Internet. Mit der zunehmenden Verbreitung von LPWANs in Produktionsstätten, Lagerhallen und auf Industriegeländen wird die Lieferkette immer häufiger in der Lage sein, Echtzeit-Überwachungsdaten über Produkte, Bestände und Anlagen mittels hochentwickelter Analysesoftware in der Cloud auszutauschen. Untermauern lässt sich diese Explosion der Digitalisierung durch den verstärkten Einsatz von Sensoren, wie zum Beispiel RFID-Smart-Tags, die drahtlos auslesbar sind. Diese Komponenten, die von einer Batterie oder sogar mittels Energy Harvesting betrieben sind, benötigen häufig eine Speicherkomponente mit sehr niedrigem Stromverbrauch, um die erfassten Daten zu speichern.
Eine ganz andere Herausforderung dürften neue Steuerungstechnologien für Industrieanlagen darstellen. Trotz des ganzen Rummels um die gegenwärtige Erprobung autonomer Fahrzeuge auf öffentlichen Straßen dürften zunächst wohl Gabelstapler und motorisierte Transportwagen als autonome Fahrzeuge in Betrieben und Lagerhallen zum Einsatz kommen, da sich durch den Wegfall des menschlichen Fahrers enorme Effizienz- und Sicherheitsvorteile ergeben (Bild 1).
In ähnlicher Weise sind Augmented Reality (AR) und Virtual Reality (VR) zwar hauptsächlich als Consumer-Technologien bekannt, bieten aber gerade in der Fertigung hohes Potenzial, beispielsweise zur Unterstützung bei manuellen Montage-, Wartungs- oder Reparaturvorgängen. Neue Implementierungen dieser hochentwickelten Anwendungen laufen künftig auf einer Codebasis, die weitaus umfangreicher ist, als es bei den heutigen Industriegeräten der Fall ist. Dies wiederum setzt die Entwickler industrieller Systeme unter Druck, Codespeicherlösungen zu finden, die den enorm gestiegenen Kapazitätsbedarf erfüllen, ohne die Bauteilekosten und den Platzbedarf der Platinen ähnlich stark zu erhöhen.
Ein weiteres zentrales Thema bei allen Arten von Industrie-4.0-Geräten ist die Konnektivität, denn Konnektivität birgt ein inhärentes Sicherheitsrisiko. Durch die Gewährleistung der Authentizität der Komponenten, die Code und Daten in Industrie-4.0-Geräten speichern, können sichere nichtflüchtige Speicherchips eine Hardware-Barriere gegen das Eindringen in kritische industrielle Netzwerke bilden.
Flash-Technologie an Industrie 4.0 anpassen
Bild 2: Der 8-MBit-25Q80NEXIG-1,2V-Flash-IC ist in einem 2 mm x 3 mm großen USON8-Gehäuse untergebracht. Winbond
Im Laufe der Jahre haben verschiedene nichtflüchtige Speichertechnologien den Anspruch erhoben, Flash-Speichern in der einen oder anderen Hinsicht überlegen zu sein. Flash hingegen ist eine bewährte Technologie, die bereits in Tausenden von Anwendungen erprobt ist. Sie ist außerdem in großen Stückzahlen und in einer sehr umfangreichen Auswahl an Produktkonfigurationen, um dem Systementwickler eine flexible Auswahl an Produktoptionen zu bieten, erhältlich. Abschließend erfährt sie Unterstützung durch die Ressourcen der weltweit führenden Hersteller von Speicher-ICs. Diese Hersteller investieren kontinuierlich in die Verbesserung der grundlegenden Flash-Fertigungstechnologie, der Gehäuseoptionen sowie der Leistungsmerkmale. Heutzutage reagieren die Hersteller von Flash-Produkten schnell und gezielt auf die aktuellen Speicheranforderungen der Hersteller von Industrie 4.0-Geräten und präsentieren neue Lösungen, die hinsichtlich Kosten, Größe, Leistung, Stromverbrauch oder Sicherheit optimiert sind.
Die bevorzugte Methode der Halbleiterindustrie, um Größe und Kosten zu reduzieren, ist die Schrumpfung der Prozessstrukturen. Bei den in Industrie 4.0-Geräten verwendeten High-End-Mikrocontrollern gilt dies für die CPU-Schaltkreise. Viele Hersteller aktueller MCUs streben heute die Migration von 4xnm-Nodes auf 3xnm-Nodes an, um von Performance- und Kostenverbesserungen zu profitieren. Bei 3xnm-Nodes ist der in die MCU eingebettete NOR-Flash-Schaltkreis allerdings teurer – das Schrumpfen von NOR-Flash unterhalb von 4xnm-Nodes erweist sich als problematisch. Winbond arbeitet in Partnerschaft mit MCU-Herstellern an Lösungen, um Stacked-Die-Lösungen bereitzustellen. Dabei kombinieren die Entwickler einen in einem 3xnm-Prozess gefertigten MCU-Chip mit einem 4xnm-NOR-Flash-Chip in einem gemeinsamen Gehäuse, um die optimale Kombination aus Platzbedarf, Leistung und Code-Speicherkapazität für High-End-Industriedesigns zu erzielen.
Stromverbrauch und Leistung
Drahtlose Smart Tags oder Etiketten kommen zunehmend in industriellen Anwendungen zum Einsatz, um Echtzeit-Überwachungsdaten zu übermitteln, beispielsweise um die Temperatur- und Feuchtigkeitsbedingungen, denen verderbliche Waren oder Arzneimittel während des Transports ausgesetzt sind, kontinuierlich aufzuzeichnen. Sie erfordern die Fähigkeit, potenziell große Mengen an aufgezeichneten Daten zu speichern, arbeiten aber mit äußerst eingeschränkter Batterie-Stromversorgung oder sogar mit Energy Harvesting.
Um die Verwendung von Batterien mit sehr niedriger Spannung oder das Energy Harvesting zu unterstützen, entwickeln Hersteller diskrete Flash-ICs, die mit einer Spannung unterhalb der für externe Flash-ICs üblichen 1,8 V arbeiten. Ein Beispiel hierfür ist der NOR-Flash-Speicherbaustein W25QxxNE mit 1,2 V und W25QxxND mit erweitertem 1,5-V-Spannungsniveau in 8-Pin-Bauform (Bild 2). Diese Bauteile bieten eine hohe Datenübertragungsrate von 52 MByte/s und unterstützen eine standardmäßige serielle Dual- und Quad-Peripherie-Schnittstelle (SPI) sowie eine Quad-Peripherie-Schnittstelle (QPI). SPI NOR und serielle NAND-Flash-Speicher sind Kerntechnologien im Industriesektor und ermöglichen kompakte Lösungen mit wenigen Anschlüssen für die Code- und Datenspeicherung. Die herkömmliche serielle Architektur dieser Bausteine kann jedoch die Lese- und Schreibgeschwindigkeit von Daten begrenzen, sodass sich nur eine niedrigere Datenübertragungsrate als bei entsprechenden Parallel-Flash-Komponenten erzielen lässt.
Single-Level-Cell-NAND-Flash (SLC) stellen ein gutes Speichermedium für industrielle Anwendungen dar. In Anwendungen, die eine hohe Datenübertragungsrate erfordern, haben Entwickler traditionell NOR-Flash verwendet, das zwar eine geringere Dichte und damit höhere Kosten pro Bit als NAND-Flash aufweist, jedoch eine höhere Geschwindigkeit bietet.
Bild 3: Die Dual-Quad-Architektur des seriellen NAND-Flash-Speichers W25N01JW. Winbond
Der W25N01JW beispielsweise ist ein serieller 1-GBit-NAND-Flash-Chip, der eine maximale Datenübertragungsrate von 83 MByte/s erreicht – vergleichbar mit SPI-NOR-Flash-Bausteinen. Seine Architektur unterstützt darüber hinaus eine Octo-Konfiguration – eine serielle Zwei-Chip-Dual-Quad-Schnittstelle, die die Datenübertragungsrate auf maximal 166 MByte/s verdoppelt (Bild 3). Dies reicht aus, um anspruchsvolle, datenintensive Grafikanwendungen zu unterstützen und stellt eine leistungsstarke, kostengünstige Alternative zu NOR-Flash mit einer Dichte von mehr als 512 MBit dar. Der für den Automobilbereich qualifizierte W25N01JW kommt bei der Entwicklung von Fahrzeug-Kombi-Instrumenten zum Einsatz und ist gleichermaßen für industrielle autonome Fahrzeuge und AR/VR-Anwendungen geeignet.
Sicherheitsaspekte
Die allgegenwärtige Konnektivität der Industrie-4.0-Welt setzt Geräte Risiken durch Cyberkriminelle aus, die in Netzwerke eindringen, die Privatsphäre der Benutzer gefährden oder Daten stehlen. Entwicklern stehen zahlreiche Maßnahmen zur Eindämmung von Sicherheitsrisiken zur Verfügung. Eine wichtige Maßnahme ist die Hardware-Authentifizierung, um zu gewährleisten, dass nur autorisierte Geräte Daten über ein Netzwerk austauschen.
Um Hardware-Authentifizierung für kritische Software wie zum Beispiel Boot-Code zu ermöglichen, hat Winbond mit der Produktfamilie W74M einen Authentication-Flash-Speicher entwickelt. Jeder W74M enthält einen SPI-Flash-Speicher mit einem Sicherheits-IC in einem Multi-Chip-Modul. Der Chip ist mit einem standardmäßigen HMAC-SHA-256 Krypto-Beschleuniger und vier monotonen Flash-Zählern gesichert, die mit individuellen HMAC-Geheimschlüsseln signiert sind. Mit dem W74M können Systementwickler eine mehrschichtige Authentifizierung für die Code- und Datenspeicherung für Geräte am Netzwerkrand oder außerhalb der Cloud implementieren.
Der Zugriff auf den Code oder die im Authentication-Flash-Speicher gespeicherten Daten ist durch einen sicheren Schlüssel geschützt, der für jede hergestellte Einheit einzigartig ist. Im Falle einer Manipulation oder eines Eindringens in das Netzwerk bleiben der Boot-Code oder die auf einem Authentication-Flash gespeicherten Daten sicher vor Versuchen, sie zu stehlen, zu modifizieren oder zu beeinträchtigen.
Alex Wei
(aok)
