Couverture ElectroniqueS n°127

LES CONCEPTEURS EN ÉLECTRONIQUE DOIVENT ÉTUDIER ATTENTIVEMENT COMMENT LES TECHNOLOGIES DE MÉMOIRE ET DE STOCKAGE PEUVENT ÊTRE INTÉGRÉES DANS LE MATÉRIEL IIoT POUR OFFRIR DES PERFORMANCES, UNE ENDURANCE, UNE FIABILITÉ, UNE LONGÉVITÉ ET UNE EXTENSIBILITÉ ACCRUES, TOUT EN CONTRIBUANT À RÉDUIRE LES COÛTS DU MATÉRIEL, À DIMINUER LA CONSOMMATION ET À RENFORCER LA SÉCURITÉ. Alors que le matériel IIoT (indus-trial Internet of things, ou Internet industriel des objets) continue d'évoluer, le volume et la qualité des données générées augmentent en parallèle. Le transport, le stockage et l'analyse des données IIoT sont également en train de changer. Il n'y a aucune hiérarchie prescrite puisqu'il existe de nombreux clients et sources de données. Les énormes volumes de données générés ne sont pas réservés aux connexions locales d'applications spécifiques, mais sont disponibles par le biais d'un réseau de connexions. Au sein de l'écosystème IIoT, les concepteurs électroniciens doivent réfléchir aux technologies mémoire et aux technologies de stockage qu'il faut intégrer au matériel IIoT. La Ram dynamique (Dram) et la mémoire flash sont toutes deux utilisées dans les applications IIoT du fait de diverses caractéristiques, telles que le caractère unique des données, l'endurance et la fiabilité nécessaires à un fonctionnement 24 heures sur 24 et 7 jours sur 7, les performances, la consommation, la longévité, l'évolutivité, la robustesse, la température, la sécurité et le coût. Les nombreuses variantes de mémoires flash Nand offrent un nombre de cycles de programmation/effacement très variable. Arthur Sainio (Smart Modular Technologies) Arthur Sainio est directeur marketing produits chez Smart Modular Technologies où il travaille depuis 1998, après être passé par Hitachi Semiconductor America. Il dirige les efforts de développement de nouvelles technologies comme la mémoire persistante, notamment la Mram et les NVDIMM, pour une utilisation dans l'Internet industriel des objets (IIoT), les télécommunications, l'aéronautique et les applications de défense. Il est titulaire d'un Master à l'université d'État d'Arizona et d'un MBA à l'université d'État de San Francisco. CARACTÉRISTIQUES DES DONNÉES Les caractéristiques des données IIoT sont un paramètre clé pour déterminer le type de support de stockage à utiliser, ainsi que la configuration mémoire à retenir pour la conception d'un système. Les systèmes IIoT qui collectent des données vidéo peuvent s'appuyer sur les technologies flash Nand 3D courantes comme TLC (triple-level cell) ou QLC (quad-level cell), que l'on trouve dans divers types de disques SSD et de cartes SD. Pour la capture de données vidéo, chaque bit de données n'est pas critique, par conséquent le média flash peut être de qualité grand public. Cela vaut aussi pour la technologie Dram. Les données vidéo ne nécessitant pas de Dram de qualité professionnelle, ni de correction d'erreur ECC, les systèmes IIoT capturant des données vidéo peuvent très bien utiliser de la Dram grand public, soudée sur le circuit imprimé ou sous forme de module. Dans le cas de dispositifs IIoT mesurant des valeurs numériques, il est important de préserver l'intégrité des données. L'analyse ou le suivi des celles-ci en aval peut impliquer le déclenchement d'alertes en cas de problème. Par exemple, un système nécessitant un suivi de température peut avoir à intervenir dès qu'un bit de données provoque une sortie des tolérances. Dans de telles situations, chaque bit de données compte. Le type de mémoire flash doit ainsi être considéré de plus près pour éviter la perte de données critiques. En ce qui concerne les Dram, il vaut mieux envisager d'ajouter la fonction ECC dès la conception du système pour minimiser les éventuels problèmes de défaillance de bits. La fonctionnalité ECC est disponible dans les mémoires Dram individuelles (ECC Dram) ou sous forme de module. ENDURANCE ET FIABILITÉ POUR UN FONCTIONNEMENT 24H/24, 7J/7 Les systèmes IIoT typiques sont conçus pour un fonctionnement en continu à long terme. Le fonctionnement 24 heures sur 24, 7 jours sur 7 est typique des applications de signalisation extérieure, de surveillance de processus industriels ou d'automatisation. Il convient de se référer au tableau (voir page précédente) qui compare les différents types de supports flash existants et leurs nombres de cycles P/E pour choisir le modèle approprié. La conception du système, en matière de mémoire flash, doit répondre au type d'utilisation, à la fréquence d'écriture des données en mémoire, et à la durée de stockage. Plus les données sont critiques, plus il convient d'être prudent dans le choix du type de mémoire flash. De nombreux systèmes industriels, par exemple, utilisent encore des cartes CF SLC de qualité industrielle. Il s'agit de cartes flash très fiables (et relativement coûteuses) prévues pour 100 000 cycles P/E, qui ont été conçues à l'origine pour les appareils photo. Dans de nombreux cas cependant, les cartes SD ou MicroSD standards peuvent répondre aux besoins de stockage des données IIoT. Exemple de carte mémoire DDR4 utilisée dans des systèmes embarqués IIoT. La Dram a une endurance illimitée, donc le nombre de cycles d'écriture ou de lecture de données ne pose pas de problème. C'est la fiabilité qui est cruciale pour le choix de la Dram. Pour les systèmes IIoT à haute fiabilité, il est préférable d'utiliser de la Dram de qualité professionnelle, qui fait l'objet de tests plus poussés, afin de réduire les risques de défaillance de bits sur le terrain. Cela s'oppose à l'utilisation de Dram grand public à faible coût. Si un système IIoT destiné à une application critique n'est pas conçu pour utiliser des Dram ECC, une alternative peut être d'utiliser de la Dram de qualité professionnelle offrant une fiabilité supérieure à long terme. PERFORMANCES Dans le modèle IIoT traditionnel, les systèmes fonctionnaient uniquement en mode enregistrement et les données étaient analysées plus tard. Désormais, les nouveaux systèmes IIoT, tels que les systèmes sur modules (SOM) et les ordinateurs monocartes (SBC) à processeur Qualcomm Snapdragon de SMART Wireless Computing, disposent d'une mémoire et d'un stockage rapides lorsque l'analyse des données doit être réalisée en temps réel par le système lui-même. Les systèmes IIoT utilisés pour la surveillance et les alertes aux tremblements de terre et aux raz-de-marée, par exemple, nécessitent des performances élevées. Certains produits de fournisseurs de systèmes IIoT comme SMART Wireless Computing utilisent de la mémoire DDR3 basse consommation (LPDDR3) ou de la mémoire LPDDR4 pour une consommation minime associée à un niveau de performances maximal. Le CPU, la mémoire et les supports de stockage doivent être choisis ensemble pour bien correspondre à l'application. Les besoins actuels en matière de données ont beaucoup augmenté, dans la mesure où l'obtention de données temps réel est devenue une priorité pour la prise de décisions stratégiques dans les entreprises. COÛT Le coût du matériel IIoT peut être largement affecté par les types de mémoire et de stockage utilisés. Le prix de la mémoire et du stockage peut représenter de 5 à 40 % du coût total du matériel dans les systèmes IIoT. Un système d'automatisation industrielle complexe utilisant des algorithmes d'apprentissage machine pour identifier certaines valeurs clés et ajuster automatiquement ses paramètres selon des préférences prédéterminées sera dans le haut de la fourchette. Cela est dû au fait qu'il nécessite plus de mémoire et de stockage que, par exemple, un traqueur personnel de fréquence cardiaque, qui analyse l'activité électrique d'un cœur humain et visualise les données du capteur par le biais d'une application mobile. CONSOMMATION ÉNERGÉTIQUE Réduire la consommation est intéressant pour diminuer les coûts et l'échauffement, tout en augmentant la fiabilité du système. Un système à faible dissipation thermique permet une conception compacte sans ventilateur, ce qui est une exigence répandue pour les applications IIoT durcies. Une solution Dram courante consiste à utiliser de la LPDDR4. La mémoire LPDDR4 est utilisée pour les appareils mobiles et présente aussi un intérêt pour l'IIoT. Afin d'économiser l'énergie, les Dram LPDDR4 permettent d'abaisser la tension nominale de fonctionnement à 1,1 V. La norme LPDDR4 prend en charge un mode économie d'énergie amélioré basse fréquence, qui réduit la fréquence d'horloge pour économiser davantage la batterie lors de l'exécution de tâches simples en arrière-plan. Pour le stockage, deux solutions courantes sont utilisées, l'UFS 2.0 et les cartes MicroSD. L'UFS 2.0 est une mémoire flash eMMC (à contrôleur multimédia embarqué) soudée, à la fois rapide en lecture et en écriture, et capable d'effectuer les deux tâches simultanément. Celles-ci sont très utilisées dans les appareils mobiles pour étendre l'autonomie des batteries. La consommation associée à l'UFS 2.0 est d'environ un milliwatt (mW) pendant les opérations d'écriture ou de lecture, et de moins de 0,5 mW en mode veille. LONGÉVITÉ Le déploiement moyen prévu pour du matériel IIoT est de sept à dix ans. Il est souvent installé en extérieur ou dans des environnements difficiles où il serait coûteux et irréaliste de remplacer les équipements par des systèmes de nouvelle génération. La migration des nœuds à mémoire de stockage prend typiquement entre 18 et 24 mois, tandis que le passage de la technologie de DDR3 à DDR4, ou de flash Nand MLC à flash Nand TLC, se fait tous les trois à cinq ans. Il va sans dire qu'il y a un décalage. Les systèmes IIoT ont besoin d'un support et d'une maintenabi-lité à long terme. La période de support des produits mémoire et de stockage doit autant que possible être alignée sur la durée de vie des équipements IIoT. Les besoins de support au niveau de la chaîne d'approvisionnement doivent être pris en compte dès la définition de l'architecture des systèmes IIoT. Exemple de MIP (« module-in-a-package ») DDR4 de SMART Modular Technologies. EXTENSIBILITÉ Comme la longévité, l'extensibilité est un élément essentiel pour les systèmes IIoT. Ces derniers doivent pouvoir être étendus pour prendre en charge des dizaines de milliers de contrôleurs, de robots, de machines et autres applications spécialisées. Cela peut impliquer d'augmenter la densité des mémoires utilisées dans les systèmes et/ou de pouvoir mettre à niveau les systèmes existants pour utiliser des produits plus performants. Les technologies Dram et flash ne cessent de croître en densité, mais la définition vidéo et la profondeur de couleur, par exemple, ont elles aussi augmenté et nécessitent un stockage plus important (disque SSD sur l'appareil et carte SD pour la portabilité et l'extensibilité). ROBUSTESSE Les systèmes IIoT peuvent parfois être déployés dans des environnements opérationnels soumis à des vibrations, à l'humidité et à une mauvaise qualité d'air. Dans de telles conditions, les mémoires doivent être parfaitement protégées pour éviter les défaillances sur le terrain. Les mesures préventives les plus courantes pour ce type d'environnement sont notamment le vernissage et l'underfill (injection de résine sous le boîtier des composants) ainsi que le choix de composants spéciaux résistant à la contamination au dioxyde de soufre (SO ). Dans de pareilles conditions 2 d'exploitation, les défaillances sur le terrain n'apparaissent en général pas avant la troisième année de fonctionnement. Les procédures de test et de qualification des systèmes IIoT doivent inclure l'exposition à un tel environnement. Alors que le potentiel de l'industrie 4.0 commence à émerger, la maintenance prévisionnelle est l'une des techniques prometteuses en cours d'expérimentation. Elle permet de déterminer l'état des équipements en service, afin d'estimer quand la maintenance doit être effectuée. Cette approche promet des économies par rapport à une maintenance préventive de routine ou basée sur les heures de fonctionnement, dans la mesure où les tâches de maintenance ne sont effectuées qu'en fonction des besoins réels. La capacité d'une application IIoT à transmettre des informations temps réel d'une usine vers le cloud permet de garantir une production ininterrompue. TEMPÉRATURE La plage de température opérationnelle commerciale pour les mémoires et les dispositifs de stockage est de 0 °C à + 70 °C. Une température excessive est l'une des causes les plus fréquentes de défaillance de ces éléments. L'utilisation de mémoires et de dispositifs de stockage conçus pour des températures industrielles (-40 °C à + 85 °C), tels que les SO-DIMM DDR4 ECC ou les MIP (module-in-a-package) DDR4 de SMART Modular Technologies, permet de renforcer considérablement la fiabilité du système. SÉCURITÉ L'intégrité des données et la sécurité edge (périphérie du réseau) IIoT sont de plus en plus critiques. Protéger les systèmes edge IIoT des cyberattaques doit absolument faire partie des points pris en compte lors de la conception. Les mémoires et les dispositifs de stockage utilisés au sein du système IIoT peuvent offrir des niveaux de sécurité supérieurs. Pour les disques SSD, la norme Opal du Trusted Computing Group (TCG) permet un contrôle d'accès avec une authentification plus robuste et plus riche en fonctionnalités que le mot de passe 256 bits standard de l'ATA, et si la norme Opal est également associée à un chiffrement 256 bits, le disque est plus sécurisé que jamais. Par ailleurs, il est à noter que la publication 140-2 (FIPS PUB 140-2) de la Federal Information Standard (FIPS), qui est une norme fédérale de protection des informations classées secrètes du gouvernement américain, exige des niveaux spécifiques de chiffrement avancé (AES), d'authentification (tels que TCG Opal), de protection contre les tentatives de falsification, et de contrôle des émissions électroniques. Les systèmes IIoT edge sont susceptibles d'exiger de plus en plus souvent la conformité à l'une de ces normes de sécurité. Concernant les modules Dram, il existe désormais une option de sécurité relativement nouvelle. Celle-ci utilise le driver d'horloge de registre (RCD) sur les DIMM à registre pour détecter et enregistrer les commandes et les adresses correspondant à des accès non autorisés de la CPU à la Dram. En outre, jusqu'à 16 règles de sécurité définies par le client peuvent être ajoutées pour une protection supplémentaire. •

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