Für die schnelle Datenspeicherung werden in Gewerbe, Industrie und Forschung gerne Flash-Speicher eingesetzt, wie wir sie unter anderem auch aus Mobiltelefon, USB-Stick und SD-Card kennen. Anders als im Consumer-Bereich gilt es in der industriellen Anwendung jedoch einige Dinge zu beachten: Was passiert bei kurzzeitigem Spannungseinbruch während des Schreibvorgangs? Wie sieht es aus mit der Datensicherheit bei Vibration oder Schockbelastung der Speicher und in welchem Temperaturbereich arbeiten sie noch zuverlässig?

USB-Sticks sind heute sehr preiswert und fast schon Wegwerfprodukte, die wie Kugelschreiber als Werbeträger verschenkt werden. Solchen Datenträgern sollte man keine wichtigen Daten anvertrauen, schließlich sind die Qualitätsunterschiede der Speicher enorm. Billige Massenware ist technisch nicht auf dem neuesten Stand und verwendet zum Teil sogar recycelte Speicher-Bausteine aus alten Handys. Für die gewerbliche oder industrielle Nutzung bieten die Elektronikspezialisten von Hy-Line spezielle, besonders robuste SSD-Flash-Speicher von Cervoz an. Wählt man den richtigen Speicher zur Anwendungsanforderung, ist sichergestellt, dass diese auch bei widrigen Umgebungsbedingungen über lange Zeit zuverlässig funktionieren.
 

Die Praxisanforderungen

Beim Einsatz moderner Flash-Module lauern je nach Anwendung verschiedene Tücken: Stromausfälle, Vibration, Erschütterung und Temperaturschwankungen sind in der Industrie aber auch bei Anwendungen in Messgeräten für Medizin, Gewerbe oder Forschung und sogar elektronischen Registrierkassen nie auszuschließen. 

Die PLP-Funktion kann eine rund 40-mal längere Stromversorgung des Speichers sicherstellen als sonst üblich.

© Hy-Line

Eine Lösung mit ‚gehärteten‘ Speichern wie im militärischen Bereich ist im gewerblichen Einsatz zu teuer und zudem meist auch nicht nötig. Wirtschaftlicher ist es, den passenden Speicher zur jeweiligen Anwendung zu finden. Dabei gibt es aber durchaus Eigenschaften, die bei allen Anwendungsfällen gefragt sind. Hy-Line legt etwa Wert auf eine langjährige, zuverlässige Funktion der Komponenten, die auch nach Jahren beim Nachkauf noch mit den gleichen Spezifikationen aufwarten. Die Speicher sind daher mit – je nach Konfigurationen (Formfaktor, Größe, Geschwindig-keit) – unterschiedlichen, jedoch über die Produktlebensdauer immer gleichen Controller- und Speicher-Chips vom selben Typ ausgestattet. Damit ist gegenüber modifizierten Chips oder von wechselnden Herstellern eine immer gleiche Performance garantiert, beispielsweise Schreib- und Lesegeschwindigkeit. So sind wichtige Daten aus der Fertigung, beispielsweise bei der Qualitäts-sicherung selbst bei hohen Schreibgeschwindigkeiten – bei alten ebenso wie bei neu gekauften Speichern – gleich schnell geschrieben.

Außerdem sollte man bei exzessiver Speichernutzung beachten, dass die maximale Anzahl der Schreibvorgänge, auch Ausdauer oder Endurance genannt, deutlich geringer ist als bei Festplatten.

SSDs haben eine durchschnittliche, erwartete Lebensdauer, die durch Zählen der Gesamtmenge der Daten, die auf die SSD geschrieben werden, auch als TBW (Terabytes written) bestimmt ist. Doch was bedeutet das nun für die Praxis?

SSDs können wie jeder Halbleiter wegen physikalischen und fertigungsbedingten Problemen ausfallen, wenn Schaltkreise über eine gewisse Zeit unter Spannung stehen. Allerdings passiert das in der Regel schnell und fällt meist unter die Garantie. Bleibt noch der ‚Verschleiß‘ während des Normalbetriebs. Ein Beispiel zeigt schnell die tatsächliche Relevanz dieser Endurance auf: Der durchschnittliche Nutzer speichert um die 5 GByte/Tag – nur ein sehr kleiner Prozentsatz erreicht die 50-GByte/Tag-Marke. 

Grob vereinfacht bedeutet das: Nutzt man eine 100 GByte SSD, wird man das Laufwerk weniger als 1000-mal in fünf Jahren umschreiben, selbst wenn man mit 50 GByte/Tag zur Gruppe der speicherlastigen Nutzer gehört. 

Vor Ausfall austauschen

in weiterer wichtiger Punkt ist der Controller. Er überprüft regelmäßig alle Speicherblöcke auf ihre Funktion und Kapazität. Wird ein Fehler detektiert, legt er den Speicherbereich auf einen anderen aus der Reserve um und markiert den fehlerhaften als ‚unbrauchbar‘. Mit Hilfe spezieller Software-Tools (SMART = Self-Monitoring, Analysis and Reporting Technology) kann der Anwender diese Alterung des Speichermediums verfolgen und es bei Bedarf präventiv austauschen. So kann der Anwender reagieren, bevor es zum Ausfall kommt. Zusätzlich nutzt der Controller das sogenannte ‚Wear Leveling‘ – das heißt, er verwendet alle physikalischen Blöcke des Speichers ‚reihum‘, selbst wenn das Betriebssystem immer auf denselben logischen Block für das Inhaltsverzeichnis des Mediums zugreifen möchte. Auch diese Methode verbessert Lebensdauer und Zuverlässigkeit weiter.

Mobile Geräte können auch mal herunterfallen, sodass sich der Akku kurzzeitig von der Kontaktfeder löst. Noch häufiger sind aber Fälle, bei denen in industriellen Anwendungen der Strom ausfällt, die Netzspannung stark schwankt oder über Netzstecker beziehungsweise (Not-)Ausschalter verloren geht, bevor das Gerät heruntergefahren ist. Ein solcher Stromausfall während des Speichervorgangs kann zu Datenverlust führen. Abhilfe schaffen beispielsweise robuste SSD-Speicher von Cervoz mit einer Power Loss Protection (PLP). Dabei übernehmen Tantal-Kondensatoren auf der Speicherplatine die Energieversorgung, falls es zu Spannungsschwankungen kommt, und stellen sicher, dass ein Schreibprozess immer abgeschlossen werden kann. Die PLP-Funktion kann dabei eine rund 40-mal längere Stromversorgung des Speichers sicherstellen als sonst üblich. Damit sind kritische Anwendungen und Einsatzbereiche bei Fahrzeugen, medizinischen Geräten oder in der Industrie vor Datenverlust geschützt. Je nach Anforderung gibt es die stromgestützten Speicher mit 32 bis 128 GByte Speichervolumen.

Im industriellen Umfeld kommen etwa ein auf den Boden fallendes Gerät, Schock oder erhöhte Vibration im Feldeinsatz relativ oft vor. Dadurch können sich mit der Zeit Verbindungen wie Lötstellen lösen oder Leiterbahnen- und Platinenrisse ausbilden. 
 

Anti-Vibration-Füllung

Das Auftragen eines Kunstharzes zwischen den Kanten von Leiterplatte und Halbleiter-Chips verhindert, dass Lötverbindungen sich bei Vibration oder Schock lösen.

© Hy-Line

Beides kann zu unkontrollierbaren Ausfällen des Speichers führen. Mechanisch besonders robust ausgeführte Speicher verwenden deshalb eine Anti-Vibration-Füllung, um Bauteile, Lötstellen und Platine sicher zu schützen. Dabei wird durch Auftragen eines Epoxidharzes zwischen den Kanten von Leiterplatte und Halbleiter-Chips verhindert, dass Lötverbindungen sich lösen. Gleich-zeitig wirkt die Harzraupe stabilisierend und dämpfend auf den Platinenkörper. Das ‚­Anti-Vibration Fill‘ verlängert so die Lebensdauer bei Anwendungen mit Vibrationen, wie der Fahrzeug-Elektronik, Maschinenautomatisierung oder bei mobilen Geräten. Daneben können Temperaturschwankungen Probleme bereiten. Bei bau- und landwirtschaftlichen Fahrzeugen und Geräten werden heute viele Daten gesammelt und verarbeitet. Die Anwendungen reichen von der Eigenbedarfstankstelle bis zum Precision Farming (Anm. d. Red: Der Begriff ‚Präzisionsackerbau‘ bezeichnet ein Verfahren der ortsdifferenzierten und zielgerichteten Bewirtschaftung landwirtschaftlicher Nutz-flächen). Bei extremer Kälte oder Hitze und hoher Luftfeuchtigkeit beziehungsweise kondensierender Feuchte schneiden Standardspeicher oft schlecht ab; dagegen verkraften für die gewerbliche Nutzung ausgelegte Ausführungen im Einsatz –40 bis +85 °C. 

Die Luftfeuchtigkeit darf dabei bis zu 95 % bei +55 °C betragen im Gegensatz zu nur 90 % bei +40 °C in der Standardausführung. Damit ist auch ein wechselnder Einsatz zwischen Büro und Kühlhaus oder Winterbetrieb im Freien kein Problem. Thermoschock oder Thermozyklen innerhalb der Spezifikation haben keinen Einfluss auf Lebensdauer und Zuverlässigkeit der Speicherfunktion. Dazu werden nur ausgesuchte Bausteine für den erweiterten Temperaturbereich von Toshiba verwendet und die fertigen Speicher zu geprüft.

Für kommerzielle Anwendungen lohnt es sich demnach, einen genaueren Blick auf die Anforderungen zu werfen. Der passende, robust aufgebaute Speicher macht schon durch eine längere Lebensdauer den scheinbaren Kostenvorteil wett, vom Risiko eines Datenverlustes und dem damit verbundenen Imageschaden für einen Maschinenhersteller einmal ganz abgesehen.

Autoren: Rudolf Sosnowsky ist Leiter Technik bei Hy-Line und Andreas Zeiff arbeitet im Redaktionsbüro Stutensee.