Als wichtiger Bestandteil des Internets der Dinge (IoT) bezieht sich M2M auf die Verbindungstechnologien, mit denen Verarbeitungsanwendungen, Prozessoren, Sensoren und andere Geräte innerhalb derselben Kommunikationsinfrastruktur eingebunden werden, um mit minimalem humanen Eingreifen miteinander zu kommunizieren. Eine M2M-Systemlösung umfasst die Hardware, die gehostete Software und Services, die für eine einfache Entwicklung von Anwendungen erforderlich sind. Sie umfasst außerdem verkabelte und kabellose Kommunikationsgeräte, Module und Adapter. Zudem bietet eine M2M-Lösung Verwaltungs-, Benachrichtigungs- und Speicherservices, die entfernte Bestände, Unternehmensanwendungen u.v.m. verbinden.
In komplexen Umgebunden stellen M2M-Geräte alleinstehende Geräte dar, die mit einer speziellen Schnittstelle (z. B. USB) sowie flüchtigen und nicht flüchtigen Speicherstapeln, Anwendungen, Betriebssystemen und Gerätetreibern ausgestattet sind (siehe Abbildung 1.). M2M-Geräte verwenden normalerweise eine Art Flash-Speicher für die Codespeicherung und einen flüchtigen Speicher wie SRAM oder DRAM zum Cachen bzw. Puffern. Da M2M-Services so breit gefächert sind, erfordert ihre Anwendung die Verwendung von Anwendungen auf einem Host-Gerät, welche die Informationen und die M2M-Kommunikation verarbeiten können und – in manchen Fällen – einen sicheren Kommunikationskanal für Anwendungen bieten, die mit Finanztransaktionen wie Point-of-Sale-Terminals arbeiten.
Durch diese Arten von Systemumgebunden werden die Anforderungen an den Systemspeicher nur komplexer. Die Speichertechnologie spielt eine wesentliche Rolle, unabhängig davon, ob der Speicher lediglich zum Speichern oder auch zum Verarbeiten von neuen Daten verwendet und so die Effizienz erhöht sowie die Systemintelligenz gesteigert werden soll. Einige Faktoren beeinflussen auch den Entscheidungsfindungsprozess für die Wahl der passenden Komponenten und können nicht vernachlässigt werden. Eine kostengünstigere Lösung erfüllt beispielsweise nicht die Anforderungen an die Langlebigkeit, die für M2M-Produkte mit höherer Langlebigkeit von wesentlicher Bedeutung sind. Dieser Artikel zielt auf die Herausforderungen bei der Wahl eines passenden nicht flüchtigen Speichers (NVM) für M2M-Anwendungen sowie einige zu berücksichtigende Schlüsselfaktoren.
Erwägungen für die Wahl eines Flash-Speichers für M2M-Lösungen mit kurzer Reichweite
M2M-Lösungen mit kurzer Reichweite sind beispielsweise Sensoren und Geräte innerhalb derselben Netzwerk-Infrastruktur, darunter Local Area Networks (LANs) und Personal Area Networks (PANs). Lösungen mit kurzer Reichweite umfassen eine Reihe von kabellosen Kommunikationstechnologien, darunter verschiedene proprietäre Optionen bis hin zu Standard-Optionen wie Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee und Z-Wave. Diese Standards werden stets weiterentwickelt, um den Anforderungen von M2M-Kommunikationen zu entsprechen und die Interoperabilität zwischen der wachsenden Anzahl von Anwendungen zu unterstützen und zu gewährleisten.
Eingebettete Speicher dominieren die Landschaft der M2M-Lösungen für kurze Reichweiten, die mit Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee, Z-Wave u.a. arbeiten. Eingebettete Speicher sind platzsparend, bieten eine kürzere Boot-up-Zeit und optimieren die Execute-in-Place-Effizienz (XiP). Allerdings bringen sie auch Nachteile mit sich, die bei der Systementwicklung beachtet werden müssen.
Der größte Nachteil eines eingebetteten Speichers ist die geringere Dichte und das Risiko, das für neue Software-Releases keine Bits mehr vorhanden sind. Daher ist die Verwendung eines externen Speichers wie 128Mb Serial NOR oder 1Gb–2Gb NAND Flash von wesentlicher Bedeutung, um sicherzustellen, dass ausreichend Bits für den Programmcode vorhanden sind und das Bild der vorherigen Version zu speichern, falls es zu einem Stromausfall kommt.
Eingebettete Speicher verfügen zudem nur über begrenzte Schreibzyklen und sind unter Umständen nicht für eine parametrische Speicherung geeignet; dies gilt insbesondere für Anwendungen, die im Zuge des Lebenszyklus der Anwendung mehrfach Systemparameterdaten aktualisieren müssen. Während diese Einschränkung mit einem Cache-Speicher umgangen werden kann, zieht sie doch zusätzliche Kosten für das System nach sich. Schließlich muss auch der steigende Bedarf an aktiver Systemleistung für Updates in Flash berücksichtigt werden sowie die Einhaltung der allgemeinen Systemeffizienz bei Lösch- und Schreibzyklen.
Erwägungen für die Wahl eines Flash-Speichers für M2M-Lösungen mit großer Reichweite
M2M-Lösungen für große Reichweiten benötigen eine stets verfügbare Konnektivität für Sensoren und Geräten in großen Infrastrukturen, die über mehrere Netzwerkgrenzen reichen. Die zelluläre Technologie ist die gebräuchlichste Anwendung für diese Lösungen. Zelluläre M2M-Module gibt es in 2G- und 3G-/4G-Ausführung. Die 3G-Netze basieren auf dem weltweiten Standard High-Speed Downlink Packet Access (HSDPA), der mit herkömmlichen Architekturen mit Mikroprozessor-Einheiten (MPUs) kompatibel ist und eine Multimedia- und Browsing-Erfahrung in Echtzeit bietet. Die 3G-Netze werden weiterhin eine beliebte internationale Wahl vor den langsameren 2G-Netzen bleiben und immer mehr Abonnenten für sich gewinnen.
Die Anzahl der zellbasierten IoT-Verbindungen wird sich in den kommenden drei Jahren nahezu verdoppeln. Mobilfunkanbieter konzentrieren sich derzeit auf ihre Aktualisierung auf 4G-LTE-Netze, um die leistungsstarken Datenservices effizienter bedienen zu können. Die Mobilfunkbetreiber, die umsatzerzeugende M2M-Services verwenden, treiben die Nutzung von 3G- und 4G-Netzen zu Verwendung von Netzressourcen an. Infolgedessen binden M2M-Modullieferanden 2G-zertifizierte Module nicht mehr in neue Designs ein, um sich an neuere Komponentenlösungen und die moderne Herstellungsmethode anzupassen. Dadurch können die 3G-M2M-Module im Markt weiter wachsen und sollen bis 2016 beinahe die Hälfte aller M2M-Mobilfunkverbindungen eingenommen haben.
Leistung, Dichte, Kosten und Verpackung
Abbildung 3 zeigt ein typisches M2M-Mobilfunkmodul mit Software-Stapel. Die Anforderungen für den Flash-Speicher reichen von 32 MB in 2G-Modulen bis hin zu 4 GB in 4G-Mobilfunkmodulen. Die Modemgeschwindigkeiten in 2G-Mobilfunkmodulen sind geringer, und diese Module verfügen über einen kleineren 32-MB-/64-MB-Speicherfußabdruck für kritischen Kommunikationscode. Hier ist NOR Flash der Speicher der Wahl; seine Execute-in-Place-Architektur (XiP) ermöglicht eine Codeausführung aus dem Flash-Speicher heraus und erfordert lediglich 16 bis 32 MB PSRAM Arbeitsspeicher oder erweiterten Cache. Die 3G-/4G-Mobilfunkmodule sind leistungsstärker und verfügen über den größeren Dichteanspruch. Der kritische Kommunikationscode ist wesentlich höher, und das System muss eine Kopie des Software-Abbilds und der Java-Middleware-Versionen speichern. Dadurch steigt der Dichteanspruch auf 4 GB für den NAND-Flash-Speicher. Aus Kostensicht ist SLC NAND eine gute Wahl für 1-GB- und größere Dichten.
Der Wechsel zu NAND Flash bedeutet jedoch, dass der Code nicht direkt aus dem Flash ausgeführt werden kann; stattdessen muss er für die Ausführung in den RAM geladen werden. Dieser Vorgang wird als Store and Download (SnD) bzw. Compute-Memory-Architektur bezeichnet und führt zu deutlich größeren Anforderungen an den externen DRAM, um Schattenkopien zu erstellen und den Code auszuführen. Selbst mit zunehmendem DRAM jedoch bleibt der Preis der Speicherlösung im Vergleich mit einem NOR Flash und einer DRAM-Lösung mit geringerer Dichte gleich.
Dank des kleinen Formfaktors von M2M-Modulen werden Multichip-Packages (MCPs) noch immer bevorzugt, da sie im Gegensatz zu separaten Flash- und DRAM-Komponenten deutlich mehr Platinenraum sparen. Abbildung 5 zeigt ein Beispiel für eine 1GB NAND/512Mb LPDRAM MCP-Lösung in einem 8 x 9 x 1 mm Gehäuse, das problemlos in ein 3G-/4G-M2M-Modul passt.
Langlebigkeit des Produkts
NOR Flash verfügt über die bessere Erfolgsgeschichte bei Fahrzeug-, Industrie- und Medizinanwendungen als NAND Flash, welche sich durch ihre Langlebigkeit auszeichnen, und die durchschnittliche Lebensspanne eines M2M-Moduls beträgt normalerweise 10 Jahre und mehr. NOR Flash ist außerdem unabhängig von den Speicherfunktionen, während NAND von einem Prozessor abhängig ist, der die Speicherfunktionen verarbeitet, darunter ECC, Defektblockverwaltung und Wear Levelling. Dadurch kann sich der Support über die Produktlebenszeit hinaus sowie durch Einschränkungen in der NAND-Technologie schwierig gestalten, da kaum sichergestellt werden kann, dass die Eigenschaften von NAND bei geometrischen Änderungen gleich bleiben.
Fallbeispiele
Die Fähigkeit zu systeminternen Speicheraktualisierungen ist einer der wichtigsten Vorteile, die Flash-Speicher eingebetteten Anwendungen bietet, die ca. 100.000 PROGRAM- und ERASE-Zyklen erfordern und Daten von mindestens 10 Jahren verwahren müssen. NOR Flash ist dieser Herausforderung bisher mit mehreren Generationen schrumpfender Geometrien begegnet. Die Eigenschaften von NAND Flash ändern sich mit einer schrumpfenden Lithographie. Der Effekt wird in Technologien mit einer Geometrie unter 30 nm noch deutlicher (siehe Abbildung 6): Die ECC-Anforderungen steigen deutlich, und die PROGRAM- und ERASE-Zyklen wurden für eingebettete Anwendungen beschränkt.
Das Fallbeispiel wird zu einem kritischen Faktor bei der Wahl eines Flash-Speichers, der am besten für eine bestimmte Anwendung geeignet ist. Anwendungen, die beispielsweise eine SnD-Architektur verwenden, bei denen der Code beim Hochfahren in einen DRAM kopiert wird die nur unregelmäßig aktualisiert werden, können die Kostenvorteile von NAND Flash ausschöpfen, insbesondere dann, wenn die Anforderung für die Codedichte 1 GB Speicher überschreitet. Andererseits muss das Fallbeispiel für M2M-Anwendungen sorgfältiger betrachtet werden, da hier die Anforderungen für PROGRAM- und ERASE-Zyklen durch regelmäßige Code- und Datenupdates die Grenzen der Technologie sprengen.
Fazit
M2M-Geräte verbinden Orte wie Fertigungsebenen, Stromnetze, Gesundheitseinrichtungen und Transportsysteme mit dem Internet. Sobald sich ein Objekt digital repräsentieren kann, kann es von jedem beliebigen Ort aus gesteuert werden. Diese Konnektivität bedeutet mehr Daten, die aus mehr Orten bezogen werden, und mehr Möglichkeiten zur Erhöhung der Effizienz und Optimierung der Sicherheit. Die gestiegenen Datenanforderungen fordern auch exponentiell mehr Bits zum Speichern und Ausführen von Aktionen für die Daten. Leistung, Dichte, Kosten, Gehäuse, Langlebigkeit und Fallbeispiele spielen bei der Wahl der passenden Speicherlösung für Ihre M2M-Produkte eine wesentliche Rolle.