Flash Speicher in der Industrie

Transkript

1 White Paper 08/2015 Speicher in der Industrie Worauf muss bei dessen Einsatz im industriellen Umfeld geachtet werden?

2 Gewährleistung und Haftung Gewährleistung und Haftung Hinweis Die Anwendungsbeispiele sind unverbindlich und erheben keinen Anspruch auf Vollständigkeit hinsichtlich Konfiguration und Ausstattung sowie jeglicher Eventualitäten. Die Anwendungsbeispiele stellen keine kundenspezifischen Lösungen dar, sondern sollen lediglich Hilfestellung bieten bei typischen Aufgabenstellungen. Sie sind für den sachgemäßen Betrieb der beschriebenen Produkte selbst verantwortlich. Diese Anwendungsbeispiele entheben Sie nicht der Verpflichtung zu sicherem Umgang bei Anwendung, Installation, Betrieb und Wartung. Durch Nutzung dieser Anwendungsbeispiele erkennen Sie an, dass wir über die beschriebene Haftungsregelung hinaus nicht für etwaige Schäden haftbar gemacht werden können. Wir behalten uns das Recht vor, Änderungen an diesen Anwendungsbeispiele jederzeit ohne Ankündigung durchzuführen. Bei Abweichungen zwischen den Vorschlägen in diesem Anwendungsbeispiel und anderen Siemens Publikationen, wie z. B. Katalogen, hat der Inhalt der anderen Dokumentation Vorrang. Für die in diesem Dokument enthaltenen Informationen übernehmen wir keine Gewähr. Unsere Haftung, gleich aus welchem Rechtsgrund, für durch die Verwendung der in diesem Applikationsbeispiel beschriebenen Beispiele, Hinweise, Programme, Projektierungs- und Leistungsdaten usw. verursachte Schäden ist ausgeschlossen, soweit nicht z. B. nach dem Produkthaftungsgesetz in Fällen des Vorsatzes, der groben Fahrlässigkeit, wegen der Verletzung des Lebens, des Körpers oder der Gesundheit, wegen einer Übernahme der Garantie für die Beschaffenheit einer Sache, wegen des arglistigen Verschweigens eines Mangels oder wegen Verletzung wesentlicher Vertragspflichten zwingend gehaftet wird. Der Schadensersatz wegen Verletzung wesentlicher Vertragspflichten ist jedoch auf den vertragstypischen, vorhersehbaren Schaden begrenzt, soweit nicht Vorsatz oder grobe Fahrlässigkeit vorliegt oder wegen der Verletzung des Lebens, des Körpers oder der Gesundheit zwingend gehaftet wird. Eine Änderung der Beweislast zu Ihrem Nachteil ist hiermit nicht verbunden. Weitergabe oder Vervielfältigung dieser Anwendungsbeispiele oder Auszüge daraus sind nicht gestattet, soweit nicht ausdrücklich von der Siemens AG zugestanden. Securityhinweise Siemens bietet Produkte und Lösungen mit Industrial Security-Funktionen an, die den sicheren Betrieb von Anlagen, Systemen, Maschinen und Netzwerken unterstützen. Um Anlagen, Systeme, Maschinen und Netzwerke gegen Cyber-Bedrohungen zu sichern, ist es erforderlich, ein ganzheitliches Industrial Security-Konzept zu implementieren (und kontinuierlich aufrechtzuerhalten), das dem aktuellen Stand der Technik entspricht. Die Produkte und Lösungen von Siemens formen nur einen Bestandteil eines solchen Konzepts. Der Kunde ist dafür verantwortlich, unbefugten Zugriff auf seine Anlagen, Systeme, Maschinen und Netzwerke zu verhindern. Systeme, Maschinen und Komponenten sollten nur mit dem Unternehmensnetzwerk oder dem Internet verbunden werden, wenn und soweit dies notwendig ist und entsprechende Schutzmaßnahmen (z.b. Nutzung von Firewalls und Netzwerksegmentierung) ergriffen wurden. Zusätzlich sollten die Empfehlungen von Siemens zu entsprechenden Schutzmaßnahmen beachtet werden. Weiterführende Informationen über Industrial Security finden Sie unter Die Produkte und Lösungen von Siemens werden ständig weiterentwickelt, um sie noch sicherer zu machen. Siemens empfiehlt ausdrücklich, Aktualisierungen durchzuführen, sobald die entsprechenden Updates zur Verfügung stehen und immer nur die aktuellen Produktversionen zu verwenden. Die Verwendung veralteter oder nicht mehr unterstützter Versionen kann das Risiko von Cyber-Bedrohungen erhöhen. Um stets über Produkt-Updates informiert zu sein, abonnieren Sie den Siemens Industrial Security RSS Feed unter WP /Mass-Storage Beitrags-ID: , V1.0, 08/2015 2

3 Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis Gewährleistung und Haftung Einleitung Speicher Speichertypen Speicherzellentypen Zuverlässigkeit Industrieanforderungen Fazit... 7 WP /Mass-Storage Beitrags-ID: , V1.0, 08/2015 3

4 1 Einleitung 1 Einleitung In den 80er Jahren wurden die ersten Speicher entwickelt. Diese haben seitdem zahlreiche Verbesserungen erfahren und wurden stetig weiterentwickelt. Heute ist Speicher in unterschiedlichen Speicherkapazitäten für zahlreiche Anwendungsbereiche wie zum Beispiel USB-Sticks, SD-Speicherkarten, SSD- Speicherkarten verfügbar. Worauf muss beim Einsatz von Speicher im industriellen Umfeld geachtet werden? Mit dieser Fragestellung beschäftigt sich dieses Dokument auf den nachfolgenden Seiten. 2 Speicher Wenn es um die permanente Speicherung von Daten geht, eignet sich Speicher durchaus als Alternative zur klassischen Festplatte. Speicher zählt zu den nichtflüchtigen Halbleiterspeichern. Einmal gespeicherte Daten bleiben so auch ohne das Vorhandensein einer externen Spannung erhalten. Speicher vs. Festplatte 1 Die Technologien von Speicher und Festplatten unterscheiden sich grundlegend voneinander. Beide Technologien haben sowohl Vor- als auch Nachteile. Die Frage, ob zur Datenspeicherung ein Speicher oder eine Festplatte eingesetzt werden soll, hängt vom geplanten Einsatzszenario und vom eingeplanten Budget ab. Die nachfolgende Tabelle stellt die beiden Speichertechnologien einander gegenüber. Tabelle 2-1 Speicher Kurze Zugriffszeiten beim Lesen und Schreiben von Daten Keine beweglichen Verschleißteile, dadurch unempfindlich gegenüber Vibrationen und Stößen Geringerer Stromverbrauch als Festplatten Festplatte Sehr hohe Anzahl an Schreibzyklen möglich Geringere Kosten pro Gigabyte Datenspeicher 1 Festplatte = Datenspeicher, basierend auf magnetisierbaren, rotierenden Scheiben auch Hard Disc Drive (HDD) genannt. WP /Mass-Storage Beitrags-ID: , V1.0, 08/2015 4

5 2 Speicher 2.1 Speichertypen Fällt die Entscheidung zugunsten der Speichertechnologie, so lassen sich die Speichermedien im ersten Schritt in wechselbare und in fest eingebaute Speichermedien einteilen. Je nach Anwendungsfall eignet sich die eine oder andere Art besser für die daraus entstehenden Anforderungen. Genereller Aufbau Abbildung 2-1 zeigt den generellen Aufbau eines Speichermediums. Dieses besteht aus einem oder mehreren en, auf denen die eigentlichen Daten gespeichert werden. Ein Controller übernimmt die interne Verwaltung der Daten und deren Verteilung auf die einzelnen e. Zusätzlich bildet der Controller die Schnittstelle nach außen. Über diese Schnittstelle tauscht das angeschlossene Gerät seine Daten mit dem Speichermedium aus. Abbildung 2-1 Aufbau eines Speichermediums Industrie-PC -Speichermedium Interface Controller Control Data I/O Dieser grundlegende Aufbau findet sich bei allen nachfolgenden Speichertypen. CF CFast SSD CF ist die Abkürzung für Compact. Dies ist Speicher in Form von wechselbaren Speicherkarten. Die Daten werden über eine IDE-Schnittstelle 2 ausgetauscht. CFast ist ebenfalls Speicher in Form von wechselbaren Speicherkarten, bei dem jedoch das schnellere SATA 3 Protokoll zum Datenaustausch verwendet wird. Die Solid State Disk (SSD) ist eine weitere Form von Speicher. SSDs werden meist fest im Computer eingebaut. Sie können im gleichen Formfaktor wie Festplatten oder als Speicherbaustein mit msata Schnittstelle ausgeführt sein. 2 IDE = Integrated Disc Electronic, eine Schnittstelle mit paralleler Datenübertragung 3 SATA = Serial Advanced Technology Attachment, eine Schnittstelle mit serieller Datenübertragung WP /Mass-Storage Beitrags-ID: , V1.0, 08/2015 5

6 2 Speicher 2.2 Speicherzellentypen Speicher funktioniert durch die Speicherung von mehreren Elektronen in einer Speicherzelle und der Interpretation des Füllstandes (voll / leer) dieser Zelle als Binärwert 0 bzw. 1. Dies erfolgt durch Messung des Spannungslevels an der Zelle. Damit kann die kleinste Informationseinheit, genau 1 Bit gespeichert werden. Solche Speicherzellen werden als Single-Level-Cell (SLC) bezeichnet. Um in einer einzelnen Speicherzelle mehr Informationseinheiten zu speichern, müssen zusätzliche Füllstände, bzw. Spannungslevel unterschieden werden können. Speicherzellen, welche mehr als 1 Bit speichern können, werden Multi-Level-Cell (MLC) genannt. Historisch gesehen konnten die ersten Zellen dieser Art genau 2 Bit speichern. Inzwischen ist es möglich 3 Bit in einer einzelnen Speicherzelle zu speichern. Dies erfordert die Unterscheidung weiterer Spannungslevel. Speicherzellen dieser Art werden als Triple-Level-Cell (TLC) bezeichnet. Die folgende Tabelle zeigt diese drei Speicherzellentypen im Überblick. Tabelle 2-2 Anzahl der speicherbaren Bit pro Speicherzelle SLC MLC TLC Die Anordnung der Zellen wurde bisher zweidimensional betrachtet. Eine dreidimensionale Anordnung von Speicherzellen in mehreren Lagen, wie bei sogenanntem V-NAND, ermöglicht eine weitere Steigerung der Speicherkapazität von en. 2.3 Zuverlässigkeit Write Endurance Die Anzahl der Schreib- bzw. Löschvorgänge einer einzelnen Speicherzelle ist begrenzt. Die Frage, wie häufig das Betriebssystem und die darauf laufenden Applikation voraussichtlich Daten auf den Speicher schreiben werden, ist daher ein wichtiger Aspekt bei der Auswahl des geeigneten Speichermediums. Das Schreibvermögen eines Speichers wird auch als Write Endurance bezeichnet. Bei Speicher vom Typ CF wird die Qualität dieser Eigenschaft häufig in Form der maximalen Anzahl der Schreibzyklen einer einzelnen Speicherzelle angegeben. Bei Speicher vom Typ CFast oder SSD findet man hingegen eher eine Angabe zur Menge an Daten in Terabytes (TB), mit denen der Speicher beschrieben werden kann. Wear Leveling Da die Anzahl möglicher Schreibzyklen einer einzelnen Speicherzelle, wie eben beschrieben, begrenzt ist, müssen die Schreibzugriffe möglichst gleichmäßig auf alle verfügbaren Speicherzellen verteilt werden. Dies erfolgt durch spezielle Wear Leveling Algorithmen im Speichercontroller. Fehlermanagement Dennoch werden früher oder später Fehler beim Lesen und Schreiben von Daten durch abgenutzte Speicherzellen entstehen. Diese können durch Mechanismen wie dem Bad Block Management, der Verwaltung von Spare Blocks und der Verwendung von Error Correction Codes (ECC) bis zu einem gewissen Grad kompensiert werden. WP /Mass-Storage Beitrags-ID: , V1.0, 08/2015 6

7 3 Fazit Data Retention w/o Power Mit der Zeit verlieren auch die besten Speicherzellen einige der in ihnen gespeicherten Elektronen. Bei längerer Inaktivität wie z.b. bei der Lagerung oder beim Transport sollen die auf dem Speichermedium gespeicherten Daten natürlich erhalten bleiben. Die maximale Zeitdauer, für die ein Datenerhalt des Speichers ohne Spannungsversorgung zugesichert wird, spiegelt sich in der Angabe der Data retention w/o power wieder. 2.4 Industrieanforderungen Power-Loss-Protection Fällt während eines Schreibvorganges die Spannung aus, so kann dies zu unvollständigen Daten auf dem Speicher führen. Dies betrifft nicht nur die Nutzdaten, sondern ebenfalls die Daten der internen Speicherverwaltung. Diese benötigt der Controller zur Zuordnung der Nutzdaten zu unterschiedlichen en. Verliert der Controller auf diese Weise sein Gedächtnis, führt dies praktisch zum Totalausfall der Speichers. Industrietaugliche Speicher sollten vor solchen Ausfällen geschützt sein. S.M.A.R.T. Zur Diagnose und frühzeitigen Erkennung möglicher Ausfälle wurde für Speichermedien die Self-Monitoring, Analysis and Reporting Technology (S.M.A.R.T.) entwickelt. Damit lässt sich der Zustand des Speichermediums ermitteln, indem Werte wie die Temperatur des Datenträgers, die Menge der bisher geschriebenen Daten oder die Anzahl bereits defekter Speicherbereiche ausgelesen werden. Sofern das Speichermedium über diese Funktionalität verfügt, kann automatisch durch entsprechende Diagnosesoftware eine Meldung erfolgen und das Speichermedium rechtzeitig vor einem endgültigen Ausfall ausgetauscht werden. 3 Fazit Im industriellen Umfeld stellt die Robustheit gegenüber Vibrationen und Stößen einen enormen Vorteil dar. Für den maschinennahen Einsatz bieten sich daher Speicher besonders an, insofern der verfügbare Datenspeicher für die Anwendung ausreichend ist. Zur Speicherung großer Datenvolumina bzw. sich häufig aktualisierender Daten, wie beispielsweise umfangreicher Datenbanken, bieten derzeit noch herkömmliche Festplatten die größere und langlebigere Kapazität. Im Industriebereich muss aber auf eine vibrationsdämpfende Aufhängung der Festplatten geachtet werden. Um eine Beschädigung des Speichers bei Stromausfall zu vermeiden, sollten diese über eine Power-Loss Protection verfügen. Die frühzeitige Erkennung drohender Datenträgerausfälle ermöglicht die S.M.A.R.T. Funktion, welche auch bei CF oder CFast vorhanden sein sollte. Daher lohnt sich immer ein genauer Blick auf die jeweilige Spezifikation des Speichers. WP /Mass-Storage Beitrags-ID: , V1.0, 08/2015 7