Micro SD e SD card industrial grade Western Digital: storage per condizioni estreme

Le schede di memoria SD e microSD di grado industriale, note anche come industrial grade SD cards o SD industrial grade, offrono elevate prestazioni in termini di durata, affidabilità, range di temperatura esteso e durata, proponendosi come la soluzione ideale per lo storage in numerose applicazioni, inclusi sistemi di videosorveglianza, macchine fotografiche di azione, droni, gateway IoT, server e dispositivi di rete.

Western Digital, azienda leader nello sviluppo di soluzioni avanzate per lo storage, dispone di un’ampia gamma di dispositivi di memoria SD e microSD di grado industriale basati sulla più recente tecnologia di memoria NAND flash. Progettate e testate per sopportare anche le condizioni operative più difficili, come ambienti con elevata presenza di polvere, umidità, o sollecitazioni meccaniche, le schede microSD e SD card industrial grade rendono disponibili all’utente numerose funzionalità avanzate particolarmente utili in ambito industriale.

Le Western Digital industrial SD card soddisfano, ad esempio, un requisito tipico dell’Industry 4.0, ovvero la capacità di eseguire una manutenzione predittiva. Ciò è possibile grazie all’indicazione sullo stato di utilizzo percentuale della memoria NAND flash, un’informazione fondamentale per determinare quando una scheda deve essere sostituita garantendo continuità nelle operazioni e prevenendo la perdita di dati.

Algoritmi avanzati assicurano inoltre l’integrità dei dati in caso di blackout dell’alimentazione, anche se questa si verifica durante un’operazione di scrittura. Monitorando il valore della tensione di alimentazione, la scheda è infatti in grado di interrompere l’operatività nel caso in cui la stessa scenda al di sotto di un valore limite.

Alle numerose funzionalità offerte dalle schede SD/microSD Western Digital Industrial, che saranno analizzate più in dettaglio in seguito, va aggiunta quella che è una proprietà tipica di questo supporto di memorizzazione, ovvero la rimovibilità.

Differenze tra schede SD industriali e consumer

Anche se esteriormente identiche (stesso formato, stessa capacità di memoria e stesse dimensioni), le schede di memoria SD di grado industriale presentano delle differenze significative rispetto a quelle destinate al mercato consumer. Diventa pertanto importante, prima di selezionare un dispositivo, considerare gli impatti che queste differenze possono avere su requisiti mandatori come affidabilità, durata e prestazioni.

Un primo fattore chiave riguarda la tecnologia flash utilizzata, potendosi distinguere tra SLC (Single Level Cell), MLC (Multi-Level Cell) e TLC (Triple Level Cell).

Rispetto alle altre, la tecnologia SLC offre maggiore affidabilità, maggiore durata e maggiori velocità di lettura/scrittura (a fronte di un costo superiore), ed è pertanto comunemente utilizzata nelle schede di grado industriale. Le schede MLC sono più economiche rispetto alle SLC, anche se, come queste, possono essere progettate per sopportare un range di temperatura esteso (da -40°C a +85°C).

Utilizzabili anche in ambito industriale, le schede MLC presentano alcune limitazioni, come la necessità di essere sostituite entro un periodo di circa due anni e di essere adatte ad utilizzi non particolarmente intensivi.

Le schede TLC, infine, sono adatte esclusivamente per il mercato consumer. Queste schede sono un sottoinsieme della famiglia MLC e rappresentano il livello inferiore nella gerarchia delle memorie flash basate sulla tecnologia NAND. Economiche e semplici da produrre, le TLC sono adatte ad applicazioni non critiche, come il mercato consumer, hanno prestazioni e durata limitate e range di temperatura standard (da -25°C e +85°C). La tecnologia TLC, rispetto alla SLC, utilizza un maggiore numero di celle di memoria a parità di spazio disponibile sul semiconduttore: ciò spiega il loro costo inferiore, a scapito però di prestazioni, affidabilità e durata non paragonabili a quelle di una memoria SLC.

Le schede Western Digital Industrial microSD presentano altre differenze di rilievo rispetto a un prodotto di fascia consumer. Da un lato, queste differenze riguardano funzionalità e algoritmi avanzati come wear leveling, duplicazione e ridondanza dei dati, la cui funzione è quella di assicurare un utilizzo uniforme di tutte le celle di memoria e la possibilità di sostituire celle danneggiate con altre prelevate da uno spazio di memoria riservato, aggiunto a quello nominale in fase di produzione.

Dall’altro lato, le schede di memoria Western Digital Industrial micro SD basano il proprio funzionamento su un controllore hardware con prestazioni superiori rispetto alle versioni consumer, con monitoraggio dello stato di salute delle celle di memoria flash, monitoraggio della tensione di alimentazione e protezione dagli agenti climatici.

In Figura 1 è visibile lo schema a blocchi di una memoria SD/microSD, con evidenziata l’interazione tra il controllore e il banco di memoria flash con il quale interagisce tramite opportuni segnali di controllo e dati.


Figura 1: schema a blocchi di una memoria Secure Digital

Per quanto riguarda la capacità di memoria, le schede SD e microSD consumer, grazie a un costo di fabbricazione inferiore, offrono in genere capacità superiori a quelle industriali, un aspetto importante in applicazioni quali smartphone e tablet per estendere la quantità di memoria originale del dispositivo. Le schede di grado industriale raggiungono comunque capacità dell’ordine di qualche centinaio di gigabyte, più che sufficienti per soddisfare i requisiti stringenti di queste applicazioni.

Inoltre, al fine di garantire una maggiore affidabilità e durata, le schede di grado industriale sono in genere costruite utilizzando la tecnologia SiP (System in Package), la quale racchiude in un unico contenitore sigillato le componenti elettroniche sensibili, offrendo così una maggiore protezione da urti, vibrazioni, polvere e umidità e migliorando, allo stesso tempo, il grado di immunità verso le interferenze elettromagnetiche e le scariche elettrostatiche.

La serie IX QD334 SLC di Western Digital

Le schede SD e microSD di grado industriale offerte da WD includono diverse famiglie di dispositivi, alcuni dei quali visibili in Figura 2. Tra questi, ci soffermeremo sulla serie Western Digital Industrial XI, che comprende unità di memoria rimovibili con range di temperatura esteso basate sulla tecnologia SLC, in grado di soddisfare i requisiti di storage tipici delle applicazioni industriali e IoT.

La serie di schede Secure Digital IX QD334, in grado di offrire prestazioni particolarmente elevate (30,000 cicli di programmazione/cancellazione e fino a 1920 TBW), è stata appositamente progettata per soddisfare i requisiti di durata, sicurezza, integrità dei dati e prestazioni, tipici di un’ampia gamma di applicazioni industriali e IoT.

Le schede sono basate su un’interfaccia a otto pin in grado di operare a una frequenza massima di 208 MHz, consentendo un’agevole integrazione con ogni tipo di microprocessore esterno. In aggiunta, le schede offrono un protocollo di comunicazione alternativo basato su una comune interfaccia SPI. Il controllore integrato nel dispositivo si occupa di gestire il protocollo di comunicazione sia verso il sistema host, sia verso l’unità di memoria flash, implementando algoritmi avanzati di protezione dei dati come ECC (Error Correction Code), gestione dello stato delle celle di memoria e dell’alimentazione, wear leveling e controllo del clock.

Figura 2: schede di memoria WD SD/microSD di grado industriale

Questi dispositivi sono stati progettati per emulare le caratteristiche tecniche di un comune hard disk, con una dimensione dei settori di 512 byte, esattamente come avviene nei dischi rigidi magnetici con interfaccia IDE. Tutte le operazioni di lettura, scrittura e cancellazione sono completamente trasparenti al sistema host. Ciò significa che, con il crescere della complessità della tecnologia utilizzata per realizzare la memoria flash fisica, il firmware lato host non avrà bisogno di modifiche e sarà pertanto in grado di supportare le versioni di schede attuali come quelle che saranno disponibili in futuro.

Oltre alle funzionalità classiche, come gestione degli errori e dello stato di salute delle celle, protezione dei dati e algoritmo di wear leveling, le schede industriali della serie QD334 offrono possibilità di utilizzo avanzate, tra cui il meccanismo di inserimento a caldo (hot insertion), particolarmente apprezzato in ambito industriale dove il fermo delle macchine per eseguire operazioni di manutenzione comporta sempre delle discontinuità e costi non trascurabili. Questo meccanismo richiede una particolare versione di connettore, in cui il pin di alimentazione è leggermente più lungo, in modo da fornire alimentazione alla scheda prima degli altri contatti.

Un’altra caratteristica degna di rilievo è la gestione, completamente automatica, della modalità a basso assorbimento. Quando la scheda non riceve più comandi dal sistema, entra automaticamente nella modalità sleep, riducendo al minimo i consumi di corrente. Il dispositivo è in grado di uscire autonomamente da questo stato non appena riceve un nuovo comando dall’host.

Al fine di supportare la massima flessibilità tipica degli ambienti industriali, garantendo nello stesso tempo un periodo di vita utile del dispositivo di memoria sufficientemente lungo, le schede appartenenti alla famiglia Western Digital QD334 includono la funzionalità sFFU, Secure Field Firmware Update, la quale consente di aggiornare il firmware a bordo del controllore direttamente sul campo, senza la necessità di rimuovere la scheda e inviarla al produttore per eseguire il necessario upgrade. Il sistema host può così scaricare sul dispositivo di memoria un nuovo firmware e comandarne successivamente l’attivazione. Sia il processo, sia il contenuto dei file utilizzati dalla funzionalità sFFU includono meccanismi di protezione da manomissioni o utilizzi non autorizzati.

Applicazioni delle schede IX QD334 SLC di Western Digital

Grazie alle loro eccezionali caratteristiche tecniche, le schede di memoria appartenenti alla serie IX QD334 di Western Digitial sono particolarmente adatte a ogni tipo di applicazione industriale dove affidabilità, elevate prestazioni, durata e adattabilità a condizioni ambientali estreme sono requisiti imprescindibili. Elevate velocità di scrittura e lettura rendono questi dispositivi la soluzione di archiviazione dei dati ideale nelle applicazioni di videosorveglianza, PC industriali ed embedded, automazione della fabbrica e dispositivi di rete.

Il range di temperature esteso e l’elevata robustezza meccanica e termica delle memorie le rendono adatte ad applicazioni nel settore dei trasporti (in cui rientrano i pannelli di segnalazione ottica per i passeggeri, noti anche come digital signage), elettromedicali, agricoltura e droni.

Tutte queste caratteristiche di rilievo, a cui si aggiungono elevata capacità di memoria, interfaccia standard verso il sistema host e possibilità di aggiornamento firmware eseguibile direttamente sul campo, sono inoltre in grado di soddisfare anche le richieste più severe provenienti dal settore Internet of Things (IoT), dove la capacità di operare in modalità a basso assorbimento offre un ulteriore vantaggio competitivo.

Stefano Lovati
Dopo aver conseguito la laurea in Ingegneria Elettronica al Politecnico di Milano, Stefano ha iniziato a lavorare, inizialmente, come progettista digitale e sviluppatore firmware. Negli anni ha maturato una solida esperienza nella progettazione di sistemi embedded, anche con prestazioni real-time, con applicazioni nei settori avionico, trasporti e telecomunicazioni. Stefano ha una profonda passione per tutto ciò che riguarda le tecnologie elettroniche e l'innovazione in generale, curando nel tempo libero la stesura di alcuni articoli tecnici inerenti il mondo dell'elettronica.