Tipps zur Bauteilewahl Der richtige Speicher für Industrie oder Edge AI

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Industrielle Speicher müssen hohe Anforderungen an Leistung, Zuverlässigkeit und Lebensdauer erfüllen. Entscheidend sind neben der Speichertechnologie auch die Einsatzbedingungen und die langfristige Verfügbarkeit. Hinzu kommt der Schutz sensibler Daten.

ndustrielle und Embedded-Systeme stellen hohe Anforderungen an den eingesetzten Speicher. Diese hängen stark vom jeweiligen Einsatzgebiet und den Umgebungsbedingungen ab. Entscheidend ist beispielsweise, ob ein System im Innen- oder Außenbereich, in einer gekühlten oder beheizten Umgebung oder unter starken Stoß- und Vibrationsbelastungen zum Einsatz kommt. Letzteres ist vor allem für den Einsatz in mobilen Applikationen relevant.

Neben den Einsatzbedingungen ist ebenfalls die Funktion des Speichers innerhalb des Systems entscheidend. Während nichtflüchtige Speicher wie Solid State Drives (SSDs), embedded MultiMediaCards (eMMC) und Universal Flash Storage (UFS) Daten dauerhaft vorhalten, dient Dynamic Random Access Memory (DRAM) als flüchtiger Arbeitsspeicher für die laufende Datenverarbeitung.

Schreiblast und Temperatur bestimmen die Speicherwahl

Ein weiteres wichtiges Auswahlkriterium für Speicher in Industrie- und Embedded-Applikationen ist die sogenannte Schreiblast. Applikationen, die regelmäßig Daten schreiben und lesen, benötigen eine SSD mit hoher Ausdauer, beispielsweise SSDs auf Basis von 3D Triple Level Cell (3D-TLC)-NAND-Speicher. Überwiegend leseintensive Applikationen lassen sich hingegen bereits mit einer SSD auf Basis von 3D Quad Level Cell (3D-QLC)-NAND-Speicher gut bedienen, die für solche Einsatzszenarien in der Regel ausreichend ist.

Der Unterschied zwischen TLC und QLC liegt unter anderem in der Speicherdichte. TLC speichert drei Bit pro Speicherzelle, QLC dagegen vier Bit. Die höhere Speicherdichte von QLC ermöglicht größere Kapazitäten, geht jedoch grundsätzlich mit einer geringeren Schreibausdauer der Speicherzellen einher. Welche Technologie geeignet ist, hängt deshalb vom tatsächlichen Schreibprofil ab.

Um die Lebensdauer des Speichers zu beurteilen, dient unter anderem die Kenngröße Total Bytes Written (TBW). Sie gibt an, welche kumulierte Datenmenge sich innerhalb der spezifizierten Belastbarkeit auf eine SSD schreiben lässt. Gerade für Applikationen, die kontinuierlich Protokoll- oder Sensordaten aufzeichnen, ist der Wert ein wichtiges Auswahlkriterium für Entwickler.

Ein weiteres wichtiges Auswahlkriterium ist der Temperaturbereich. Für viele Einsatzbereiche reicht der kommerzielle Temperaturbereich von 0 bis +70 °C aus. In einzelnen Fällen müssen Entwickler allerdings kurzfristige Temperaturspitzen und damit ein gelegentliches Überhitzen berücksichtigen. Funktionen wie Thermal Throttling können dabei helfen, ein Überhitzen zu vermeiden, indem sie die Leistung des Speichers bei hohen Temperaturen gezielt regeln. Für anspruchsvolle Einsatzbereiche bieten Speicherhersteller SSDs mit erweitertem Temperaturbereich von beispielsweise -20 bis +85 °C beziehungsweise industriellem Temperaturbereich von -40 bis +85 °C an.

Neben der Temperatur kann zudem die Eigenerwärmung des Speichers relevant sein. Besonders in kompakten, schlecht belüfteten Systemen ist das thermische Management daher bereits beim Design zu berücksichtigen.

Kontrollierte Stücklisten sichern die Produktqualität

Für industrielle Applikationen ist neben den technischen Eigenschaften ebenfalls entscheidend, wie lange die Komponenten verfügbar sind, da viele Systeme über zehn Jahre und länger im Einsatz sind. Daher wählen Hersteller beim Entwickeln eines Systems die einzelnen Komponenten sehr sorgfältig aus. Bevor Entwickler Komponenten zur Lieferantenliste hinzufügen, sollten sie diese unter strengen Vorgaben nach den jeweiligen Prozessen freigeben. So stellen Entwickler sicher, dass alle Komponenten zuverlässig zusammenarbeiten und das Endprodukt eine hohe Qualität aufweist, um so lange wie möglich im Einsatz zu bleiben.

Ein ungeplantes beziehungsweise nicht vorgesehenes Ändern einer Komponente während der Produktion oder der Produktlebensdauer stellt ein hohes Risiko dar. Mögliche Ursachen sind unter anderem:

• Inkompatibilitäten zwischen Komponenten;

• Systeminstabilitäten;

• Probleme mit dem Host- bzw. Betriebssystem; oder

• Abweichungen im thermischen Verhalten oder Energiemanagement einer SSD.

Im schlimmsten Fall können solche Änderungen zu einem Produktionsstopp führen. Kontrollierte Stücklisten (Bill of Materials, BOM), einheitliche Firmware-Versionen und eine langfristige Produktverfügbarkeit helfen, das Risiko zu minimieren.

Je nach Applikation dauert das Evaluieren und Qualifizieren einer Komponente wie einer SSD wenige Tage bis mehrere Monate. Nach erfolgreicher Freigabe sollen ihre technischen Eigenschaften möglichst über den gesamten Produktlebenszyklus unverändert bleiben.

Sind dennoch Änderungen erforderlich, informiert der Hersteller seine Kunden in der Regel über eine Product Change Notification (PCN). Sie beschreibt die geplanten Änderungen und deren Gründe. Bei Abkündigen eines Produkts erhält der Kunde idealerweise folgende Informationen:

• das End of Life (EOL)-Datum;

• den Grund der Änderung;

• den letztmöglichen Bestelltermin (Last Time Buy, LTB);

• eine empfohlene Nachfolge-Komponente mit Teilenummer; sowie

• Informationen zur Verfügbarkeit entsprechender Muster des Nachfolgeprodukts.

So können Kunden die Umstellung möglichst einfach und nahtlos planen und durchführen.

Speicherarchitekturen für Edge AI und Automation

Edge AI-, Automatisierungs- und industrielle Computersysteme setzen auf eine hierarchische Speicherarchitektur, um Leistung, Schreibausdauer, Zuverlässigkeit und Widerstandsfähigkeit gegenüber Umwelteinflüssen miteinander zu verbinden.

Die Systeme verarbeiten häufig Daten aus unterschiedlichen Quellen wie Kameras, Light Detection and Ranging (LiDAR)-Systemen, Sensoren, Industrieanlagen oder autonomen Fahrzeugen. Hierbei müssen sie große Datenmengen in Echtzeit erfassen, kontinuierlich speichern und schnell auf Anwendungen sowie KI-Modelle zugreifen können. Nur so lassen sich die Daten direkt vor Ort auswerten und Entscheidungen mit geringer Latenz treffen.

Hinzu kommen anspruchsvolle Betriebsbedingungen wie Stoß- und Vibrationsbelastung, hohe Luftfeuchte oder extreme Temperaturen. Gegebenenfalls muss die Speicherarchitektur zudem eine eingeschränkte oder zeitweise unterbrochene Netzwerkverbindung berücksichtigen.

Je nach Systemdesign stehen verschiedene Speicheroptionen zur Verfügung, darunter SATA-SSDs, Non-Volatile Memory Express (NVMe)-SSDs, eMMC, UFS sowie industrielle SD- und microSD-Karten. Häufig kombinieren Entwickler mehrere Speichertechnologien, um unterschiedliche Aufgaben effizient abzudecken. Beispielsweise kann auf einer eMMC das Betriebssystem laufen, während sie gleichzeitig Protokolldaten aufnimmt. SSDs verschiedener Formfaktoren können dagegen große Datenmengen und kontinuierlich erfasste Sensordaten speichern. DRAM ergänzt diese Speicher als Arbeitsspeicher. Er stellt dem Prozessor Daten für die laufende Verarbeitung bereit und spielt eine wichtige Rolle beim Ausführen von Applikationen und KI-Modellen.

Typische Einsatzbereiche sind Edge-Geräte und Industrie-PCs, bei denen industrielle SSDs Betriebssysteme, Anwendungen, KI-Modelle und lokale Protokolldaten speichern. In Edge-Gateways übernehmen SSDs hingegen häufig die Datenaggregation und das lokale Zwischenspeichern, insbesondere wenn das Netzwerk eingeschränkt oder zeitweise nicht verfügbar ist.

Hardwareverschlüsselung schützt sensible Daten

Neben der Leistung, Zuverlässigkeit und den Einsatzbedingungen spielt ebenfalls die Datensicherheit des jeweiligen Speichers eine tragende Rolle. Um sensible Informationen in Embedded- und Edge-Systemen zu schützen, können Entwickler auf SSDs mit hardwarebasierter Advanced Encryption Standard (AES)-256-Verschlüsselung zurückgreifen, die ebenfalls den Sicherheitsstandard TCG Opal 2.0 unterstützen.

AES ist ein symmetrisches Verfahren und arbeitet mit Schlüssellängen von 128, 192 oder 256 Bit. AES-256 gilt als sehr sicher und wird sogar von Regierungsbehörden eingesetzt. Bei aktuellen Security-SSDs ist AES derzeit Standard.

Der herstellerübergreifende Opal-Standard der Trusted Computing Group (TCG) dient dazu, gespeicherte Nutzerdaten vor unberechtigtem Zugriff zu schützen. Die Spezifikation definiert eine Schnittstelle zum Verwalten der Sicherheitsfunktionen eines Speichermediums, einschließlich der Geräteverschlüsselung, und verbindet die Vorteile von Software- und Hardwareverschlüsselung. Voraussetzung ist ein selbstverschlüsselndes Laufwerk (Self-Encrypting Drive, SED) mit AES-128- oder AES-256-Verschlüsselung.

TCG-Opal-kompatible SSDs lassen sich zudem in entsprechende Sicherheits- und Managementplattformen integrieren. Hierzu zählen beispielsweise kompatible Produkte von McAfee, WinMagic, Sophos und anderen TCG-Opal-kompatiblen Management-Plattformen.

Durch das Verschlüsseln direkt auf Hardwareebene lassen sich gespeicherte Daten schützen, ohne die Rechenleistung des Hostsystems wesentlich zu beanspruchen. In Verbindung mit einer geeigneten Authentifizierung und Schlüsselverwaltung können die Mechanismen den unbefugten Zugriff auf Daten verhindern. Gerade in verteilten Embedded- und Edge-Systemen erleichtert ein zentrales Verwalten, einheitliche Sicherheitsrichtlinien umzusetzen und trägt dazu bei, sensible Daten zu schützen, selbst bei Verlust oder Diebstahl eines Geräts. (ts)

* Balamayuran Sivapalan ist Field Application Engineer bei Kingston Technology

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