FerriSSD® verbessert die Sicherheit und Zuverlässigkeit von Computer-On-Module-Designs

IoT-Technologie expandiert weiterhin rasant und ermöglicht mehr Verarbeitung und Steuerung am Edge. Der Hauptschlüssel für diese fortgesetzte Einführung ist das Computer On Module (COM). COMs bieten eingebettete Fähigkeiten für militärische, Transport-, Unterhaltungs- und andere Anwendungen, doch ihre enthaltenen Speicherelemente könnten modernisiert werden. Hier wird Solid-State-Speicher wichtig. Dieser Artikel von Silicon Motion zeigt, wie FerriSSD®-Laufwerke von Silicon Motion die Leistung der Computer On Modules (COMs) optimieren können.

Das Computer on Module (COM) ist das am weitesten verbreitete Hardware-Format für eingebettete Computertechnik in den Märkten für Militär, Transport, Medizin, Unterhaltung, Netzwerke und Industrieausrüstung. Die Beliebtheit des COM-Formats beruht auf seinen vielen Vorteilen, zu denen eine schnellere Entwicklung eingebetteter Systeme, Risiko- und Kostenreduzierung sowie die Freiheit zur Systemanpassung gehören. Die Verwendung eines COM in einem standardisierten Formfaktor erleichtert zudem das Aufrüsten oder Ersetzen der Technologie auf Backplanes und Trägerplatinen.

Dieser Artikel beschreibt die Nachfrage nach Onboard-BGA-SSDs in COM-Systemen und wie die Sicherheit und Zuverlässigkeit von COM-Designs verbessert werden können.

Was Sie lernen werden:

Aufgrund des kleinen Footprints der Standard-COM-Formfaktoren achten COM-Hersteller sehr darauf, eine kompakte Datenspeichertechnologie auszuwählen. Ein chip-skalierbares Gerät wie ein BGA-SSD ist ein kleines und attraktives Format, aber in der Vergangenheit schreckte der relativ hohe und volatile Preis von BGA-SSDs Hersteller davon ab, sie zu verwenden. Stattdessen haben die meisten Hersteller einen Sockel eingebettet oder einen Anschluss für eine SD- oder CompactFlash (CF)-Karte hinzugefügt, die den auf der Bootdiskette laufenden Funktionen entspricht.

In jüngster Zeit sind ernsthafte Zweifel an der Verwendung von SD- und CF-Karten in eingebetteten Systemen aufgekommen. In den Bereichen Militär, Medizin, Automatisierung, Transport und anderen wird enorm in die Entwicklung von Software investiert, die auf eingebetteten Systemen laufen soll. Dies bedeutet, dass es sehr kostspielig ist, eine bestehende COM-Platine durch ein neues Design zu ersetzen – Produktlebenszyklen von 20 Jahren oder mehr sind üblich.

Infolgedessen schenken Hersteller von eingebetteten Systemen der Datensicherheit und Langlebigkeit große Aufmerksamkeit und ergreifen Maßnahmen, um alle Faktoren zu bekämpfen, die die Integrität der auf einem COM gespeicherten Daten beeinträchtigen könnten. Es gibt auch beträchtliche Bedenken hinsichtlich des Risikos des Diebstahls von Restdaten, die im Pufferspeicher von ausrangierten Geräten zurückbleiben. Versuche, dieses Risiko durch Kennzeichnung der Geräte mit einem Hinweis zur Datensicherheit bei der Entsorgung zu verringern, haben sich als erfolglos erwiesen. Dadurch ist der Einsatz von Wechselmedien wie SD- und CF-Karten der Vergangenheit zuzuordnen.

Gleichzeitig sind die Kosten pro Gigabyte für NAND-Flash-Speicher in den letzten Jahren gesunken, wodurch speicherbasierte Technologien wie BGA-SSD und eMMC für COM-Anbieter attraktiver geworden sind als früher. Tatsächlich werden BGA-SSD- und eMMC-Speichergeräte bereits in verschiedenen Arten von Embedded-Computer-Formaten eingesetzt, einschließlich COM Express Basic, COM Express Compact, COM Express Mini, Qseven (Q7) und ETX. Die steigende Nachfrage nach der neuesten Computertechnologie zur Ausführung hochentwickelter industrieller Edge-Computing-Algorithmen hat auch die erhöhte Produktion von COM-HPC-Produkten angeregt, die von der Hochleistungs-SSD-Technologie profitieren können.

Somit hat die Nachfrage nach onboard BGA-SSDs in COM-Systemen aus verschiedenen Gründen bis heute zugenommen. Der erste Grund ist, dass sich COM-Anbieter zunehmend auf Kosten und den Return on Investment ihrer Technologieinvestitionen konzentrieren. Als SSD-Technologie erstmals auf den Markt kam, waren die Kosten für SSD-Geräte relativ hoch — der Preis für NAND-Flash-Speicher lag bei bis zu 40 US-Dollar pro Gigabyte. Zudem war dieser Preis volatil aufgrund der Schwankungen im Preis von NAND-Flash. Dies führte dazu, dass Anbieter nicht bereit waren, ein SSD als Standard-Speicheroption für das Modulboard zu integrieren.

Im Laufe der Zeit fiel der Preis für NAND-Flash auf deutlich unter 1 US-Dollar pro Gigabyte. Dadurch wurden die Kosten für beispielsweise ein 8GB SLCmode oder ein 32GB SSD erschwinglich, was Anbieter dazu ermutigte, ein BGA SSD in ein COM-Board zu integrieren.

Der andere Grund für das Wachstum der Nachfrage nach SSDs im COM-Markt ist die Kundennachfrage. In Anwendungen in Industriequalität sind beispielsweise robuste Hardware und Datenschutz wesentliche Anforderungen. SD-Karten oder CF-Karten sind leicht entfernbar, was die persönlichen Daten darauf anfällig für Diebstahl macht.

Ausrüstungen, die in militärischen oder industriellen Anwendungen eingesetzt werden, müssen ebenfalls strenge Anforderungen an die Toleranz gegenüber hohen Temperaturen, Stoß und Vibration sowie andere Umweltphänomene erfüllen. Der Computer-Host und jede Komponente innerhalb der Ausrüstung müssen für den Betrieb in einem weiten Temperaturbereich ausgelegt sein, typischerweise von -40°C bis 85°C. Dies gilt natürlich ebenso für Speichermedien, wobei SD- und CF-Karten selten einen weiten Betriebstemperaturbereich unterstützen.

Darüber hinaus kann die Leistung des Steckverbinders zu einer SD- oder CF-Karte beeinträchtigt werden, wenn er über einen längeren Zeitraum unter rauen Bedingungen eingesetzt wird, was zu einer reduzierten Datenübertragungsleistung oder sogar zu einem vollständigen Ausfall führen kann. Produkte für industrielle Anwendungen müssen auch in der Lage sein, Erschütterungen zu bewältigen. Eingebettete Produkte, die ein BGA-SSD verwenden, weisen bei Erschütterungen und Vibrationen eine wesentlich bessere Leistung auf als eine SD- oder CF-Karte.

Ein weiterer Faktor im Markt für Embedded-Computing ist, dass Anbieter von Industrie-PCs (IPC) einem enormen Wettbewerbsdruck ausgesetzt sind, was das Risiko birgt, ihre Einnahmen aus ihren COM-Produktlinien zu unterdrücken. Um Gewinne zu steigern oder zu halten, bemühen sich IPC-Hersteller intensiv um die Integration von Produkten, die einen Mehrwert bieten, teilweise indem sie auf der COM-Platine Komponenten einbetten, die zuvor externe, einzusteckende Geräte waren. Speicher ist eines der wichtigsten Bordelemente eines Embedded-Computing-Systems: IPC-Anbieter suchen stets nach Möglichkeiten, den Mehrwert der Speicherlösung ihrer Produkte zu erhöhen.

Zum Beispiel wählen Anbieter heutzutage BGA-SSD-Produkte aus, die erweiterte Sicherheits- und Stabilitätsdesignmerkmale bieten, welche das Kernbetriebssystem und die Daten des Benutzers schützen. Dies stellt sicher, dass die Daten nicht leicht beschädigt oder gelöscht werden können – eine Fähigkeit, die dem COM-Produkt einen wertvollen neuen Verkaufsvorteil verschafft und dem Anbieter einen wichtigen Wettbewerbsvorteil bietet.

Diese Anforderung zur Wahrung der Integrität gespeicherter Daten gilt für viele Implementierungen des COM-Formats in Anwendungen wie industriellen Fertigungssystemen, intelligenten medizinischen Bildgebungsplattformen, digitalen Anzeigetafeln, Unterhaltung und Rundfunk sowie militärischer Ausrüstung. Dies erfordert den Einsatz sicherer Datenspeichersysteme, die das Risiko unvorhersehbarer Fehler oder Datenverluste verhindern.

Der Bedarf an Datenschutz, Sicherheit und Zuverlässigkeit kann durch die Nutzung der speziellen Funktionen und Technologien der FerriSSD gedeckt werden:

FerriSSDs integrieren eine vollständige Fehlererkennung mit Wiederherstellungsmechanismen, um eine verbesserte Datenintegrität im gesamten Host-zu-NAND-zu-Host-Datenpfad zu gewährleisten. Der FerriSSD-Datenwiederherstellungsalgorithmus kann effektiv jeden Fehler im SSD-Datenpfad erkennen, einschließlich Hardware- (z. B. ASIC) Fehler, Firmware-Fehler und Speicherfehler, die in SRAM, DRAM oder NAND auftreten.

Warum ist es so, dass FerriSSDs Datenwiederherstellungsalgorithmus sofort in der Lage ist, einen Fehler in den Daten zu erkennen? Der Hauptgrund ist, dass, sobald die Daten geschrieben werden, ein Paritätssatz erzeugt wird. Wenn dieses Datenbündel gelesen werden soll, berechnet FerriSSD erneut seine Parität. Wenn die frühere Parität nicht mit der späteren übereinstimmt, wird dem Host ein Fehlersignal zur Verfügung gestellt, um eine entsprechende Wiederherstellungsverarbeitung durchzuführen. Im Vergleich dazu geben herkömmliche SSDs fehlerhafte Daten ohne Fehlersignal an den Host weiter und verschärfen das ursprüngliche Problem, indem sie den Host nicht auf die Notwendigkeit einer Fehlerwiederherstellungsverarbeitung aufmerksam machen.

Diese beiden Technologien sind Methoden zur Selbstprüfung und Selbstüberwachung. Die Ausführung von „write“- und „read“-Befehlen auf einer NAND-Zelle ist im Grunde ein Prozess des elektrischen Entladens und Aufladens. Nehmen wir an, dass eine neue NAND-Zelle 100 Elektronen speichert, wenn sie beschrieben wird. Im Laufe der Zeit werden durch wiederholte Schreib- und Löschvorgänge die Zellen volatilisiert und reduzieren die Kapazität der Zelle, sodass die Anzahl der Elektronen, die durch einen Schreibbefehl gespeichert werden, von 100 auf 80, dann 70, dann 60 sinken kann und so weit, dass sie unter einen kritischen Schwellenwert fällt. Der Controller kann die Daten dann nicht mehr korrekt lesen, was zu Datenverlust oder -beschädigung führt. Die IntelligentScan-Funktion ist dafür verantwortlich, zu überprüfen, ob die gespeicherte Ladung unter ihren Schwellenwert gefallen ist. Wenn dies der Fall ist, liest sie das Datenbit aus und schreibt es über die ECC-Engine neu, und DataRefresh lädt die Zelle neu auf, um die Spannung der NAND-Zelle auf das korrekte Niveau wiederherzustellen.

FerriSSD kombiniert den hochleistungsfähigen LDPC-Fehlerkorrektur-Mechanismus, patentiert von Silicon Motion, und die RAID-Funktion, die mehrere Vorteile bietet. Erstens verbessert sie die Zuverlässigkeit des Produkts und zweitens verlängert sie erheblich die Program/Erase (P/E)-Zyklen-Bewertung und die Lebensdauer des NAND-Flash-Speichermediums der SSD. Darüber hinaus kann NANDXtend helfen, die Datenspeicherkapazität zu erhöhen und Datenfehler zu reduzieren, die durch den Betrieb bei hohen Temperaturen verursacht werden.

Silicon Motion ist stark engagiert, die Datensicherheit zu stärken, um das Risiko von Hackerangriffen zu bekämpfen. Es wendet nicht nur eigene Methoden an oder folgt den öffentlichen Datenschutzvorschriften auf dem Markt (wie Full Disk Encryption/TCG Opal 2.0) als operativen Maßstab. Kunden mit einem höheren Bedarf an Schutz sensibler Daten machen sich oft Sorgen, dass öffentliche Datenschutzvorschriften leicht hackbar sind. Sie ziehen es vor, ihre eigenen Sicherheitsmaßnahmen zu entwickeln, wie zum Beispiel die Hinzufügung eines personalisierten Hilfschips. Dieser kontrolliert den Kommunikations- und Kooperationsfluss mit FerriSSD und ermächtigt das Speichergerät, Daten sicher zu akzeptieren, zu empfangen oder zu senden.

FerriSSD unterstützt Systeme zur sicheren Überprüfung digitaler Signaturen. Diese Funktion ist identisch mit der Hinzufügung von Sicherheits-Passwörtern von Silicon Motion für Kundenausrüstungen. Wenn die Firmware aktualisiert wird, können die beteiligten Parteien einen Passwortverifizierungsprozess durchlaufen, bei dem FerriSSDs Algorithmus verwendet wird, um eine Reihe von Überprüfungscodes zu erzeugen, die für Hacker unzugänglich sind. Falls Hacker ein bösartiges Programm erstellen, um ein Firmware-Update im Endprodukt zu erzwingen, ist es ihnen nicht möglich, den Überprüfungscode zu erzeugen, und der böswillige Update-Versuch schlägt fehl.

COM-Hersteller benötigen einen weiten Betriebstemperaturbereich von -40°C bis 85°C. Bevor FerriSSD-Produkte das Lager verlassen, erfolgt ein strenger Temperaturtest, wie von den Kunden spezifiziert (siehe Abbildung 6). Dies führt zu sehr niedrigen dPPM-Raten, die den Kundenanforderungen für eine sehr hohe Zuverlässigkeit entsprechen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Senkung der NAND-Kosten, der Anstieg der Nachfrage nach Datensicherheit und Datenschutz sowie das zunehmende Bestreben der COM-Anbieter, hochwertige Produkte in das COM-Board zu integrieren, dazu geführt haben, dass die BGA-SSD zu einem Favoriten auf dem heutigen COM-Markt geworden ist. Dies gilt insbesondere für SSD-Produkte, die über Funktionen zur Datensicherung und Speicherzuverlässigkeit verfügen.

Die Integration von End-to-End-Datenpfadschutz und aktiver/passiver Schutz für Benutzerdaten und Firmware bietet erhebliche Vorteile in eingebetteten Computersystemen.

Silicon Motion's FerriSSD hat sich mittlerweile als die ideale Speicherkomponente für eingebettete Rechenmodule etabliert, indem es umfassende Temperaturtests implementiert hat und daraus resultierende niedrige dPPM-Werte aufweist. FerriSSD-Speicher ist nun die bevorzugte Wahl für COM-Produkte in den Bereichen Militär, Transportwesen, Medizin, Unterhaltung, Netzwerke, industrielle Automatisierung und vielen anderen Anwendungen.