Bit e Byte per l’industriale

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Nella tecnologia Flash, le cariche elettriche sono generate all’interno di “gate flottanti” su un transistor speciale, per memorizzare i dati in modo affidabile. La carica in questione determina quanto debbano essere conduttivi i contatti sottostanti sul transistor, per inserire il dato all’interno della cella che deve contenere l’informazione. Ciò consente di controllare l’informazione bit per bit. Il gate flottante è completamente isolato dal punto di vista elettronico da tutti gli altri componenti per mezzo di uno strato di ossido, di modo che la carica immagazzinata – l’informazione nella cella dati sottostante – rimanga effettivamente archiviata e non venga persa nel tempo. In circostanze normali, questo isolamento inibirebbe la trasmissione, e questo è il motivo per cui la tecnologia Flash usa l’”effetto tunnel” (dalla meccanica quantistica) che consente alle cariche di essere trasmesse anche attraverso un materiale non conduttivo. Ciascun singolo bit viene quindi trasmesso attraverso il gate flottante. Convenzionalmente, un gate flottante carico è interpretato come un 1, mentre uno privo di carica è interpretato come 0. Sistemi alternativi sono possibili ma non si vedono in genere. Il numero di elementi di memoria che ha una memoria Flash dipende dalle dimensioni della memoria stessa. Ciò che è importante è che per scrivere nuovamente una cella dati che sia stata precedentemente riempita di informazione, essa deve essere precedentemente cancellata, perché i bit in una memoria Flash possono solo essere cambiati da 1 a 0. Un processo di cancellazione è l’unico modo per cambiare questo stato nell’altra direzione. Esistono anche diverse routine che impediscono la scrittura accidentale nei settori sbagliati. È richiesto un controllore dedicato per organizzare i complessi processi di scrittura e di cancellazione.


Vita utile relativa
La vita operativa di una memoria Flash può essere determinata in modo relativamente affidabile in base alla tecnologia usata – Slc, ovvero cella a singolo livello, Mlc, cioè cella multilivello o Tlc, cella a triplo livello. I modelli Slc memorizzano un bit in ciascuna cella Flash, mentre le versioni Mlc archiviano due bit e i dispositivi Tlc tre bit per cella. Ciò significa che i dispositivi Mlc e Tlc possono archiviare una quantità di informazioni molte volte superiore rispetto a quella che le memorie Slc possono memorizzare sulla stessa superficie del chip, il che fornisce a queste ultime una densità di archiviazione superiore. Ma questo va di pari passo con una riduzione della vita utile – le memorie Slc assicurano una durata prevista di 100.000 cicli di programmazione/cancellazione prima che sorga potenzialmente un problema di perdita di dati, mentre le Mlc durano 3.000 cicli e le Tlc per contro solo 1.000 cicli. Ciò è causato dall’usura dello strato di isolamento, il cui scopo è di assicurare che la carica immagazzinata non venga persa. Ciascun ciclo di programmazione/cancellazione provoca un leggero danno a questo strato di ossido, rendendo la perdita dei dati inevitabile dopo un certo tempo. I produttori specificano i tempi di vita dei loro moduli, ma questi servono più come valori guida e in dispositivi potrebbero durare molto di più. Ma tutti coloro che fanno affidamento sul fatto che i propri dispositivi Flash durino così a lungo perderanno prima o poi i propri dati.

Flash o non Flash?
Rispetto ad altri supporti di memoria, qualsiasi tipo di memoria Flash non presenta solo vantaggi ma anche svantaggi, ed è opportuno essere consapevoli di questi ultimi quando si ha a che fare con questo tipo di supporto di memoria.

  • I vantaggi:
  • I supporti di memoria Flash sono in grado di conservare i dati in assenza di alimentazione per un lungo periodo di tempo, ed inoltre richiedono molta poca potenza per il funzionamento, che a sua volta mantiene molto bassa la quantità di calore generata.
  • I dispositivi di memoria Flash sono molto piccoli, con il più piccolo fattore di forma che è poco più grande di un’unghia, pur essendo in grado di archiviare diversi gigabyte di dati. I comuni hard disk al confronto misurano almeno 1.8” (4.5 cm).
  • La tecnologia di memoria Flash è estremamente robusta, essendo resistente sia agli urti, sia ai campi magnetici.
  • I dispositivi Flash operano silenziosamente, non richiedendo nè una ventola né parti meccaniche che fanno rumore. D’altro canto è possibile sentire girare gli hard disk magnetici, il che spesso dà fastidio.
  • La tecnologia Flash presenta tempi di accesso molto brevi quando si leggono i dati, e ciò consente ai sistemi operativi di avviarsi molto più rapidamente e ai programmi di grandi dimensioni di partire molto più rapidamente che con un hard disk.
  • Gli svantaggi:
  • La vita utile di una memoria Flash è limitata da un certo numero di cicli di programmazione/cancellazione.
  • Il prezzo per gigabyte dei supporti Flash è relativamente alto rispetto al costo degli hard disk, che costituiscono ancora l’alternativa più economica.

Nonostante gli svantaggi, i vantaggi della tecnologia di memoria Flash superano ancora gli aspetti negativi. Tenendo conto della durata limitata, non esiste una tecnologia migliore che sia anche abbordabile, specialmente in termini di mobilità.

Flash anche per applicazioni Industriali
Ci troviamo sempre più spesso di fronte alla domanda su quali prodotti Flash siano adatti per le applicazioni industriali. La nostra esperienza ha mostrato che una distinta materiali fissa (BoM fisso), combinata con la gestione delle notifiche di modifica di prodotto, gioca un ruolo critico. La distinta materiali copre i quattro principali componenti di una scheda Flash: il Pcb, i chip Flash, il controllore e il firmware. Prima che qualsiasi applicazione entri nella fase di produzione in serie, un prodotto campione viene testato in ambienti industriali, e solo in seguito all’esito positivo delle prove il componente viene approvato. Se un lotto avesse all’improvviso una BoM che varia rispetto a quello del campione testato, la scheda potrebbe eventualmente non funzionare del tutto all’interno dell’applicazione a causa dell’incompatibilità, come una piccola ruota dentata guasta all’interno di un grosso meccanismo. L’importanza del firmware sta aumentando sempre più a causa della complessità crescente dei controllori. Anche piccole modifiche possono causare grandi problemi. Non si tratta solo di uno scenario teorico. Per tagliare i costi, pressochè tutti i produttori variano frequentemente il proprio BoM con un piccolo preavviso, senza pubblicare o evidenziare le modifiche. Tuttavia i produttori come Swissbit o Apacer, presenti nel portafoglio prodotti di Rutronik Embedded, si concentrano in particolar modo sul mercato industriale. Essi offrono prodotti Flash specifici per applicazioni industriali con distinte materiali garantite fisse al 100%, il che significa che tutti i prodotti forniti hanno una struttura identica ai campioni testati. Le modifiche sono generalmente annunciate sei mesi in anticipo attraverso il processo di Notifica di Variazione di Prodotto e Rutronik inoltrerà qualsiasi notifica Pcn e Eol dai propri fornitori ai propri clienti. Questo assicura loro abbastanza tempo per testare la scheda modificata all’interno delle proprie applicazioni e di valutare le alternative qualora sia necessario. In più, le designazioni dei componenti delle società come Swissbit specificano con precisione quale controllore, quali chip Flash e quali firmware siano usati nello specifico modulo di memoria. Se il BoM cambia, cambia anche la designazione del componente.

Miniaturizzazione e Flash 3D
Il tipo di memoria Flash di gran lunga più comunemente usato è fabbricato usando l’architettura Nand. Rispetto all’architettura Nor, le celle di memoria in tali dispositivi sono connesse in serie. Dato che la lettura e la scrittura possono essere effettuate solo a blocchi - come negli hard disk - la tecnologia di memoria Nand è adatta in modo eccellente per l’uso come mezzo di archiviazione per schede di memoria, supporti Usb e Ssd. Rispetto agli altri supporti di memoria non volatili, un altro vantaggio della Flash Nand è la velocità di scrittura considerevolmente più alta e il basso consumo di potenza, oltre alla densità di archiviazione superiore e ai costi più bassi. Ciò nondimeno, i dispositivi di memoria Flash Nand sono soggetti a un’enorme pressione sui prezzi. Per ridurre ulteriormente il costo per gigabyte, i produttori hanno ridotto le larghezze strutturali delle celle di memoria in intervalli sempre più corti. Questa riduzione delle dimensioni fa sì che le larghezze strutturali delle celle di memoria siano comprese fra 42 nm e appena 15 nm, e i produttori in questo caso stanno raggiungendo i limiti delle attuali tecniche di fabbricazione. Non solo i costi di sviluppo stanno crescendo in modo sproporzionato, ma la qualità della memorizzazione ne sta anche soffrendo. Questo processo di miniaturizzazione fa sì che lo strato di ossido attorno ai gate flottanti diventi sempre più sottile, impedendo il rilascio della carica quando necessario. La memoria fisica invecchia più rapidamente, il tasso di errore sui bit cresce, ed in generale la vita della memoria Flash, il numero di cicli di programmazione/cancellazione (durata) e anche le prestazioni calano. Nelle applicazioni industriali in particolare, ciò in genere non è accettabile. Per ottenere valori accettabili nonostante questo, sono necessarie funzionalità sempre più complesse all’interno del firmware del controllore. Per risolvere questo dilemma, i principali produttori stanno mettendo in pratica nuovi concetti in termini di disposizione delle celle di memoria Flash, per esempio con la memoria Flash Nand verticale in 3D. Le celle di memoria in questo caso non sono disposte su un piano, bensì verticalmente. Ciò offre vantaggi in termini di costo e migliora la durata e i parametri di prestazioni.
La nanotecnologia va addirittura oltre, e già qualche anno fa quest’ultima ha consentito di integrare l’informazione in chip con il più piccolo fattore di forma concepibile, consentendo di archiviare in un chip con una superficie piccola come il diametro di un capello una quantità di dati molte volte superiore rispetto a quella che potrebbe essere memorizzata in un hard disk moderno.

Un’offerta completa
Tuttavia tale tecnologia è ben lungi da essere pronta per il mercato. Finché non giungerà tale momento, la memoria Flash rimarrà il supporto di memoria più usato. Tutti i fattori di forma e le capacità attualmente disponibili sul mercato si trovano all’interno del portafoglio prodotti di Rutronik. In termini di qualità, tempi di consegna e prezzi, i partner di Rutronik Apacer, Swissbit, Toshiba e Transcend sono in grado di soddisfare qualsiasi requisito o esigenza del cliente, inclusi i requisiti specifici dei clienti per applicazioni speciali. Ai clienti viene fornito un supporto completo da parte degli specliasti dei supporti di memoria presso Rutronik, per orientarli nella scelta del prodotto giusto per loro.

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