Embedded-Systeme

Welcher Speicher für welche Anwendung?

14. Dezember 2020, 10:00 Uhr | Von Arthur Sainio

Entwickler von Embedded-Systemen stehen spätestens bei der Wahl des Speichers vor einer Herausforderung. Zu viele unterschiedliche Typen und Schnittstellen sind am Markt vorhanden. Da hilft es, die Vor- und Nachteile zu kennen.

Am Markt für Embedded-Systeme finden sich derzeit viele verschiedene Arten an Flash-Massenspeichern. Meist sind sie für das Speichern des System-Start/Boot-Codes, des Betriebssystems oder von Anwendungssoftware zuständig. Genauso jedoch zum Sichern wichtiger Daten. Typische Anwendungen für Flash-Massenspeicher sind:

Industriesteuerungen
Test- und Messsysteme
Netzwerk-Router/-Server
Ausrüstung für die Telekommunikationsinfrastruktur
Medizintechnische Geräte
Kiosksysteme

Laut einer Analyse von Kenneth Research [1] für das Jahr 2020 soll der weltweite Markt für Embedded-Systeme von 86 Mrd. US-Dollar im Jahr 2016 auf 126 Mrd. US-Dollar im Jahr 2025 wachsen.

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Überlegungen zur Auswahl des Speichers

Embedded-Systeme sind so konzipiert, dass sie zuverlässig sind und eine bestimmte Aufgabe effektiv und effizient erfüllen. Diese Eigenschaften bestimmen, welche Art von Flash-Speicher für die jeweilige Anwendung zum Einsatz kommt. Viele Embedded-Systeme nutzen herkömmliche Massenspeicher-Formfaktoren, einschließlich Flash-Speicherkarten und SSDs (Solid-State-Laufwerke). Übliche Branchentrends nehmen Einfluss auf die Art und den Formfaktor des in Embedded-Anwendungen verwendeten Massenspeichers. So fanden CompactFlash-/CF-Karten – ursprünglich für Digitalkameras entwickelt – ihren Weg in Embedded-Anwendungen und werden hier bis heute verwendet. Der Trend setzt sich mit der Einführung von SD- und microSD-Karten, USB-Flash-Laufwerken, SSDs und eMMC-Produkten in Embedded- Systemen fort.

Die Anzahl der Optionen für Flash-Massenspeicher mit jeweils eigenen Eigenschaften steigt weiter an. Somit können Entwickler nicht einfach einen gängigen Standard-Consumer-Massenspeicher auswählen und in eine Embedded- Anwendung einbauen. Obwohl es für Flash-Massenspeicher Nutzungsklassen wie Enterprise, Rechenzentren oder Industrieanwendungen gibt, sind erhebliche Funktionsüberschneidungen vorhanden. Die Auswahl des richtigen Flash-Massenspeichers für eine Embedded-Anwendung hängt von vielen Faktoren ab, darunter:

Schnittstelle des Speichersystems
Leistungsfähigkeit und -aufnahme
Formfaktor
Auslastung
Kapazität
NAND-Technik
spezielle Hardwareanforderungen (Datenverschlüsselung und Schutz vor Datenverlust bei Stromausfall)

Entwickler sollten verstehen, welche gängigen Massenspeicher sich für Embedded-Anwendungen eignen und welche Vor- und Nachteile hiermit verbunden sind.

Flash-Speicher im Überblick

Embedded-Systeme bilden die Grundlage von Anwendungen, die unser tägliches Leben bestimmen. Das Benutzen von Flash-Massenspeicher für solche Anwendungen ist jedoch stark fragmentiert, da je nach Anwendung unterschiedliche Auslastungen zu unterstützen sind: Oft sind eine hohe Zuverlässigkeit sowie ein Betrieb rund um die Uhr und in rauen Umgebungen gefordert.

Flash-Massenspeicher für Embedded-Systeme weisen daher gemeinsame Merkmale auf: Sie sind kleiner, benötigen weniger Leistung und haben geringere Kapazitäten. Neben dem physischen Formfaktor sind Beständigkeit, eine lange Lebensdauer und Kosten weitere Auswahlkriterien. Die Tabelle führt Flash-Massenspeicher und deren Schnittstellen für Embedded-Systeme auf und legt die Vor- und Nachteile der einzelnen Typen dar.

Wichtige Erkenntnisse aus der Tabelle sind: Gut etablierte Hardware- und Softwareunterstützung sind wichtige Faktoren für die Entscheidung, welcher Massenspeicher zum Einsatz kommen soll. Leistungsaufnahme und -fähigkeit, Kosten und Formfaktor stehen ebenfalls ganz oben auf der Liste der zu berücksichtigenden Punkte. Was die Nachteile betrifft, sind einige Massenspeicher zwar Mainstream, verfügen jedoch nicht über die erforderliche Leistungsfähigkeit. Ein Anwender muss Kompromisse in Betracht ziehen, beispielsweise wiederum bei der Leistungsaufnahme, bei hohen Mindestdichten und Bedenken rund um die Host-Kompatibilität. Einige Beispiele für SSDs, die in Embedded-Anwendungen zum Einsatz kommen, werden nachfolgend beschrieben.

Von eMMC über M.2 bis hin zu Flash

Einer der am häufigsten verwendeten Massenspeicher für Embedded-Anwendungen ist eMMC (embedded Multi Media Card). Er wurde 2006 von der JEDEC Solid State Technology Association (JEDEC) und MultiMediaCard Association (MMCA) entwickelt und ist für Embedded-Anwendungen weit verbreitet (Bild 1 und 2 der Bildergalerie). Die Technik war für den Einsatz in tragbaren Geräten wie Mobiltelefonen vorgesehen, wird heute jedoch häufig für IIoT-, Telekommunikations- und Netzwerkanwendungen verwendet. Zusätzliche Funktionen wie konfigurierbarer Speicher und Betriebstemperaturen bis 85 oder sogar 105 °C machen ihn ideal für Embedded-Anwendungen.

Häufig wird eMMC als gelöteter Allzweck-Flash-Massenspeicher (ähnlich wie eine SSD) in Automatisierungsanwendungen mit geringer Auslastung verwendet. In dem Beispiel ist der Benutzerspeicherplatz des eMMC für eine erweiterte Lebensdauer auf Enhanced Storage Media (pSLC-Modus) konfiguriert. Er arbeitet in einem erweiterten Temperaturbereich von -25 bis +85 °C. Für diese Anwendung wurde eMMC aufgrund seiner langen Lebensdauer gewählt.

In der in Bild 3 und 4 (Bildergalerie) gezeigten Datenverwaltungs- und Schutzplattform wird eine »M.2 2280« PCIe-NVMe-SSD mit 240 GB Speicherkapazität als Boot-Laufwerk und Datenspeicher verwendet. Im Gegensatz zu herkömmlichen SSDs, die auf höhere Kapazitäten (>1 TB) übergehen, beträgt die erforderliche Speicherkapazität für die Anwendung lediglich 240 GB. Wichtig ist die Abstimmung mit Anbietern, die sich auf SSDs mit geringerer Kapazität spezialisiert haben. So können OEMs vermeiden, höhere Kosten für SSDs mit größerer Kapazität zu zahlen, als sie benötigen.

Im dritten Beispiel, Netzwerkausrüstung, wird eine Reihe von Flash-Massenspeichern, die auf verschiedenen Plattformen zum Einsatz kommen, darunter Embedded-USB-Flash-Laufwerke, mSATA-SSD und CF-Karten, als Boot-Laufwerke in hochzuverlässigen Routern und Switches verwendet (Bild 5, 6 und 7 der Bildergalerie). Einige der besonderen Merkmale sind eine hohe Ausdauer, Anti-Schwefel-Widerstände, konforme Beschichtung und verbesserte Enterprise-Firmware-Funktionen. Das soll Datenintegrität und Zuverlässigkeit sowie langfristige Produktunterstützung gewährleisten.

Wie in der Tabelle dargestellt, umfassen die Vor- und Nachteile gängiger SSDs in Embedded-Systemen eine Reihe von Überlegungen. Ausgereifte Hardware- und Softwareunterstützung, gute Leistungsfähigkeit, geringe Leistungsaufnahme, Robustheit und gelötete statt austauschbare Massenspeicher sind wichtige Faktoren für den Einsatz gängiger Flash-Massenspeicher für Embedded-Systeme. Es gibt jedoch Bedenken hinsichtlich einer geringeren Leistungsfähigkeit, hoher Latenz, einer höheren Leistungsaufnahme, mangelnder Standardisierung in der Branche sowie Austausch und Langlebigkeit. Embedded-Systemdesigns werden häufig wiederverwendet, um die Produkteinführung zu beschleunigen. Zeitaufwendig wird das, wenn Entwickler die schnelle Änderungen bei Flash-Massenspeichern im Consumer-Bereich und die Lebenszyklen der Flash-Technik im Auge behalten müssen. Ausgehend von den grundlegenden Anforderungen, einschließlich der Schnittstelle des Massenspeichers, des Formfaktors und der Arbeitslast, haben Entwickler von Embedded-Systemen nun einen Ausgangspunkt, um den besten Massenspeicher für ihr System auszuwählen.

von eMMC über M.2 bis hin zu Flash

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Literatur

[1] https://www.marketwatch.com/press-release/embedded-systems-market-analysis-size-share-growth-trends-and-forecast-to-2025-2020-07-07?tesla=y

Der Autor

Arthur Sainio ist Director Product Marketing bei Smart Modular Technologies. Er leitet die Umsetzung neuer Technologien wie persistente Speicher einschließlich MRAM und NVDIMMs für den Einsatz im IIoT, in Telekommunikations-, Luft-/Raumfahrt- und Verteidigungsanwendungen. Mit Konferenzen, Web-Seminaren und der „NVDIMM Special Interest Group“ innerhalb der SNIA/SSSI, fördert Sainio deren Weiterentwicklung. Er hält einen MBA der San Francisco State University und einen Master of Science der Arizona State University.