Bild 1: Vergleich der Arten verfügbarer Flash-Medien und verschiedener Programmier-/Löschzyklen (P/E; Program/Erase).

Vergleich der Arten verfügbarer Flash-Medien und verschiedener Programmier-/Löschzyklen (P/E; Program/Erase).

Sowohl DRAM (Dynamic Random Access Memory) als auch Flash kommen in IIoT-Anwendungen zum Einsatz. Die ständig zunehmende Menge an Daten im IIoT (Industrial Internet of Things) hat auch Veränderungen zur Folge wie die IIoT-Daten verteilt, gespeichert und analysiert werden. Es gibt keine vorgeschriebene Datenhierarchie, da es viele Datenquellen und Datenclients gibt. Die riesigen Datenmengen beschränken sich nicht auf lokalisierte Verbindungen für zweckgerichtete Anwendungen, sondern stehen über ein Netzwerk von Verbindungen zur Verfügung. Für den Elektronikentwickler stellt sich die Frage, welche Speicher- und Massenspeichersysteme innerhalb eines IIoT-Ökosystems in der IIoT-Hardware enthalten sein sollen. Wichtige Faktoren sind dabei Dateneigenschaften, Belastbarkeit (Endurance) und Zuverlässigkeit für den Betrieb rund um die Uhr, Leistungsfähigkeit, Stromverbrauch, Langlebigkeit, Skalierbarkeit, Robustheit, Temperatur, Sicherheit und Kosten.

  1. 1. Dateneigenschaften

Um das Massenspeichermedium und die Konfiguration des Speichers für ein System zu bestimmen, sind die Datenmerkmale des IIoT von entscheidender Bedeutung. IIoT-Systeme, die Videodaten erfassen, können mit einem gängigen 3D-NAND-Flash wie Triple-Level Cell (TLC) oder Quad-Level Cell (QLC) NAND ausgestattet werden, wie er in verschiedenen Typen von SSDs und SD-Karten verwendet wird. Da bei der Erfassung von Videodaten nicht jedes Datenbit kritisch ist, eignen sich hierfür Flash-Speicher in Consumer-Qualität. Dasselbe gilt auch für DRAMs. Für Videodaten ist kein DRAM erforderlich wie für Industrieanwendungen und auch ein Fehlerkorrekturcode (ECC; Error Correction Code) ist nicht nötig. Daher genügt für das Erfassen von Videodaten in IIoT-Systemen ebenfalls ein DRAM in Consumer-Qualität. Dieses wird entweder direkt auf der Platine (DRAM-Speicher-ICs) oder als Modul verbaut. Bei numerischen IIoT-Daten kommt es eher auf die Datenintegrität an, wenn für die nachgelagerte Datenanalyse und -überwachung möglicherweise Warnmeldungen erforderlich sind. Ein Beispiel hierfür ist ein System, bei dem eine Temperaturüberwachung reagieren muss, sobald sich ein Datenbit außerhalb der erforderlichen Parameter befindet. In solchen Situationen zählt jedes Datenbit. Die Art des Flash-Mediums sollte genauer betrachtet werden, um sicherzustellen, dass kritische Daten nicht verloren gehen. Es macht in diesem Fall Sinn, die ECC-Funktion hinzuzufügen, um Probleme mit DRAM-Bitfehlern zu minimieren. Die ECC-Funktion ist in einzelnen DRAM-ICs (ECC DRAM) oder in DRAM-Modulen erhältlich.

  1. 2. Lebensdauer und Zuverlässigkeit

IIoT-Systeme sind meist für einen langfristigen Dauerbetrieb ausgelegt. Ein 24-Stunden-Betrieb an sieben Tagen pro Woche ist in vielen Anwendungen nicht ungewöhnlich. Beispiele hierfür sind Digital Signage für den Outdoor-Bereich, Prozessüberwachung und Automatisierungstechnik. In der Tabelle werden die Typen der verfügbaren Flash-Medien und verschiedene P/E-Zyklen verglichen. Das Systemdesign muss in Bezug auf das Flash-Medium zum einen mit der Anwendung übereinstimmen und auch damit wie die Daten in das Flash-Medium geschrieben und wie lange sie dort gespeichert werden. Je kritischer die Daten sind, desto sorgfältiger muss bei der Auswahl des Flash-Speichers vorgegangen werden. So nutzen viele industrielle Systeme heute immer noch SLC-CF-Karten in Industriequalität. Diese hochzuverlässigen (und teuren) Flash-Speicherkarten mit 100.000 P/E-Zyklen wurden ursprünglich für Kameras entwickelt. In vielen Fällen können jedoch Standard-SD- oder Micro-SD-Karten die Anforderungen an die IIoT-Datenspeicherung erfüllen.

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Beispiel einer DDR4-Speicherkarte, wie sie in Embedded-IIoT-Systemen zum Einsatz kommt . Smart Modular Technologies

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Beispiel eines DDR4-MIP (Module-in-a-Package). Smart Modular Technologies

DRAMs haben eine nahezu unendliche Lebensdauer. Wie oft Daten auf ein DRAM geschrieben oder von ihm gelesen werden, stellt kein Problem dar. Die Zuverlässigkeit ist das wichtigste Auswahlkriterium bei DRAMs. Für hochzuverlässige IIoT-Systeme ist es sinnvoll DRAMs zu verwenden, die für den Industrieeinsatz geeignet sind und intensiven Tests unterzogen wurden. Damit verringert sich die Wahrscheinlichkeit künftiger Ausfällen im Feld. Dies steht im Gegensatz zu kostengünstigen DRAMs in Consumer-Qualität. Ist ein kritisches IIoT-System nicht für ECC-DRAM ausgelegt, wäre ein industrietaugliches DRAM mit einer höheren Langzeitzuverlässigkeit eine mögliche Alternative.

  1. 3. Leistungsfähigkeit

In früheren IIoT-Systemen wurden die Daten nur aufgezeichnet und erst später verarbeitet und analysiert. Neuere IIoT-Systeme wie die von Smart Wireless Computing, bei denen es sich um auf dem Snapdragon-Prozessor von Qualcomm basierende System-on-Modules (SOMs) und Single-Board-Computer (SBCs) handelt, verwenden schnellen Speicher und Massespeicher. Die Analyse wird in Echtzeit durchgeführt. IIoT-Systeme, die zum Beispiel zur Überwachung von Erdbeben- und Tsunami-Alarmen verwendet werden, erfordern eine hohe Leistungsfähigkeit. Einige Produkte von IIoT-Systemanbietern wie Smart Wireless Computing verwenden Low-power-DDR3-(LPDDR3-) und -LPDDR4-Speicher für einen Betrieb mit geringem Stromverbrauch bei maximaler Leistungsfähigkeit. CPU, Speicher und Massenspeicher sollten zusammen ausgewählt werden, um sie auf die Anwendung abzustimmen. Heutige Datenanforderungen sind umfangreicher geworden, da es bei betriebskritischen Entscheidungen äußerst wichtig ist, die Daten in Echtzeit abrufen zu können.

  1. 4. Kosten

Die Kosten für die IIoT-Hardware hängen vor allem davon ab, welche Arten von Speicher- und Massespeichermedien zum Einsatz kommen. Die Kosten dafür können zwischen 5 und 40 Prozent der gesamten Hardware betragen. Ein komplexes industrielles Automatisierungssystem, das Algorithmen für maschinelles Lernen verwendet, um wichtige Merkmale zu identifizieren und seine Einstellungen automatisch auf der Grundlage vorgegebener Präferenzen anpasst, findet sich preislich am oberen Ende der Skala. Denn im Vergleich zu einem kundenspezifischen EKG-Gerät, das die elektrische Aktivität des menschlichen Herzen analysiert und die Sensordaten über eine App visualisiert, ist bei solch einem komplexen System viel mehr Speicher- und Massenspeicherplatz erforderlich.

  1. 5. Stromverbrauch

Ein geringerer Stromverbrauch senkt die Energiekosten und die Wärmeverluste und erhöht die Systemzuverlässigkeit. Systeme mit geringer Wärmeabgabe ermöglichen ein kompaktes Design ohne Lüfter. Dies wird häufig gefordert bei IIoT-Anwendungen, die höheren Belastungen standhalten müssen. LPDDR4 ist eine beliebte DRAM-Lösung für Mobilgeräte und das IIoT. Um Energie zu sparen, senken LPDDR4-DRAMs die Nennbetriebsspannung auf 1,1 V. Der Standard unterstützt auch einen verbesserten Energiespar-Niederfrequenzmodus, der die Taktrate verringert, um bei einfachen Hintergrundaufgaben weitere Batterieeinsparungen zu erzielen. Als Speicher werden zwei gängige Lösungen verwendet: UFS-2.0- oder MicroSD-Karten. UFS 2.0 ist ein verlöteter Flash-Embedded-Multi-Media-Controller (eMMC), der schnell liest und schreibt sowie Aufgaben gleichzeitig ausführt. eMMCs kommen häufig in mobilen Anwendungen zum Einsatz, um die Batterielebensdauer zu verlängern. Der Energieverbrauch von UFS 2.0 liegt bei etwa 1 mW während des Betriebs und verringert sich auf unter 0,5 mW im Standby-Betrieb.

  1. 6. Langlebigkeit

Durchschnittlich ist IIoT-Systemhardware sieben bis zehn Jahre im Einsatz. Sie befindet sich häufig im Freien oder anderen anspruchsvollen Umgebungen, wo ein Austausch der Ausrüstung gegen Systeme der nächsten Generation kostspielig und aufwendig ist. Der typische Zeitrahmen für den Übergang von Speicher-IC- und Massenspeicher-Prozessknoten beträgt 18 bis 24 Monate. Dahingegen ist der Übergang von DDR3 zu DDR4 oder von MLC NAND Flash zu TLC NAND Flash alle drei bis fünf Jahre erforderlich. IIoT-Systeme erfordern einen langfristigen Support und Wartungsfreundlichkeit. Der Support für Speicher und Massenspeicher sollte so exakt wie möglich auf die Lebensdauer der IIoT-Ausrüstung ausgerichtet sein. Daher sind bei der Definition der Architektur von IIoT-Systemen die Anforderungen an die Lieferkette zu berücksichtigen.

  1. 7. Skalierbarkeit

Wie die Langlebigkeit ist auch die Skalierbarkeit ein entscheidendes Kriterium für IIoT-Systeme. Sie müssen skalierbar sein, um verschiedenste Steuerungen, Roboter, Maschinen und andere speziell entwickelte Anwendungen zu unterstützen. Dies kann dazu führen, dass die Dichte der in den Systemen verwendeten Speicher und Massenspeicher erhöht werden muss und/oder das bestehende System muss durch leistungsfähigere Produkte aufgerüstet werden. Die Speicherdichte von DRAM- und Flash-Technologien nimmt zwar ständig zu – jedoch haben auch die Videoauflösung und die Farbtiefe zugenommen und erfordern entsprechend mehr Massenspeicher (SSD im System und SD für Portabilität und Skalierbarkeit).

  1. 8. Robustheit

IIoT-Systeme kommen auch in Umgebungen mit Vibrationen, Feuchtigkeit und schlechter Luftqualität zum Einsatz. Unter diesen Bedingungen müssen Speicher und Massenspeicher vollständig geschützt sein, um Ausfälle vor Ort zu vermeiden. Zu den gängigsten Präventivmaßnahmen zählen dabei eine konforme Beschichtung und Unterfüllung sowie die Auswahl spezieller Komponenten, die gegen Schwefeldioxid-Verunreinigungen resistent sind. Feldausfälle unter diesen Bedingungen treten in der Regel erst im dritten Betriebsjahr auf. Test- und Qualifizierungsverfahren für IIoT-Systeme sollten die Auswirkung solcher Umweltbedingungen ebenfalls berücksichtigen. Die Techniken der vorausschauenden Wartung sollen dabei helfen, den Zustand der in Betrieb befindlichen Geräte zu ermitteln, um abzuschätzen, wann eine Wartung durchgeführt werden sollte. Dieser Ansatz verspricht Kosteneinsparungen gegenüber routinemäßigen oder zeitbasierten vorbeugenden Wartungsmaßnahmen, da Aufgaben nur nach Bedarf ausgeführt werden. Die Möglichkeit, Echtzeit-Informationen in einer IIoT-Anwendung von einer Fabrikhalle in die Cloud zu übertragen, stellt dann sicher, dass die Produktion ohne Unterbrechung fortgesetzt wird.

  1. 9. Temperatur

Der kommerzielle Betriebstemperaturbereich für Speicher und Massenspeicher liegt zwischen 0 und 70 °C. Überhitzung ist eine der häufigsten Ursachen für Speicherversagen. Speicher-ICs und Massenspeicher, die für den industriellen Temperaturbereich (-40 bis 85 °C) ausgelegt sind, wie DDR4 ECC-SO-DIMMs oder DDR4-MIP (Module-in-a-Package) von Smart Modular Technologies, können die Zuverlässigkeit des Systems erheblich verbessern.

  1. 10. Security

Datenintegrität und Sicherheit an der Edge werden immer wichtiger. Der Schutz der Edge-Systemhardware vor Cyberangriffen sollte in die Überlegungen für das Systemdesign einbezogen werden. Speicher und Massenspeicher, die im IIoT-System verwendet werden, können ein höheres Sicherheitsniveau bieten. Bei SSDs ist TCG (Trusted Computing Group) Opal der Standard, der die Authentifizierung auf einem Laufwerk definiert, der stärker und funktionsreicher ist als das von ATA bereitgestellte Standard-256-Bit-Kennwort. In Kombination mit der 256-Bit-Verschlüsselung ist das Laufwerk dann sicherer als je zuvor. Eine Alternative dazu ist die FIPS-Veröffentlichung 140-2 (Federal Information Standard), ein US-Standard zum Schutz von Regierungsgeheimnissen, der bestimmte Stufen des Advanced-Encryption-Standards (AES), Authentifizierung (zum Beispiel TCG Opal), Manipulationsschutz und elektronische Ausgabekontrolle erfordert. IIoT-Edge-Systeme können immer häufiger einen dieser Sicherheitsstandards erfordern. Für DRAM-Module steht eine relativ neue Sicherheitsoption zur Verfügung. Sie nutzt den Register Clock Driver (RCD) auf registrierten DIMMs, um nicht autorisierte Befehle zu erkennen und aufzuzeichnen und den Zugriff von der CPU auf das DRAM zu adressieren. Zusätzlich lassen sich bis zu 16 kundendefinierte Sicherheitsregeln für weiteren Schutz hinzufügen.