I Disk on Board offrono notevoli vantaggi rispetto ai dischi rigidi tradizionali e alle unità a stato solido anche per le applicazioni più impegnative.
La disponibilità di storage embedded ha contribuito a cambiare la forma di tutti i settori verticali, definendo come i dati sono generati e memorizzati. Non è più necessario trasferire grandi quantità di dati su una rete di comunicazione limitata e, sebbene l’internet degli oggetti renderà le comunicazioni più semplici, è ancora necessario memorizzare la maggior parte dei dati a livello locale.
I server e i PC sono stati fondamentali per lo sviluppo dello storage e la tecnologia ha permesso soluzioni sempre più piccole. L’evoluzione degli hard disk e, più recentemente, delle unità a stato solido ha visto aumentare il loro utilizzo in applicazioni industriali, mediche, avioniche e militari.
Le difficili condizioni ambientali che si trovano in questi settori hanno aumentato la pressione sulle soluzioni di storage non solo per quanto riguarda le temperature estreme, gli urti fisici, le vibrazioni o l’esposizione ad atmosfere pericolose, ma anche dal punto di vista delle dimensioni, del peso e del consumo. Forse l’aspetto più importante è l’affidabilità che il fornitore può garantire e in questo ambito la memoria flash in un drive allo stato solido è diventata dominante in molte applicazioni.
Tuttavia, le unità SSD sono ancora essenzialmente un prodotto con un formato standardizzato che impongono determinati requisiti in termini di dimensioni e forma fisica. Si tratta in gran parte di un’eredità che deriva dalla natura modulare e dalla possibilità di sostituzione delle unità. Con l’aumento della densità dei sistemi di storage, in gran parte dovuta alla riduzione dei nodi tecnologici dei processi produttivi, la necessità di sostituire le unità è diminuita.
Ciò ha portato all’idea di implementare il sistema di storage allo stato solido direttamente sul PCB, piuttosto che come un tradizionale SSD rimovibile. Ciò presenta molti vantaggi in quanto consente agli integratori di sistema di adattare la soluzione ai requisiti di prestazioni e densità richiesti. Consente inoltre di ottimizzare la progettazione dell’alimentazione, il tipo di memoria flash utilizzata e le dimensioni fisiche della soluzione di storage.
Quando l’unità allo stato solido viene realizzata con componenti discreti direttamente su una scheda PCB host, questo approccio è noto come Disk on Board (DoB).
DoB vs Flash
Spesso quando si parla di DoB ci si domanda perché non implementare lo storage utilizzando una serie di dispositivi di memoria flash. Anche se questo approccio non è certamente privo di merito, pone dei vincoli significativi a livello di sistema in termini di come i dispositivi di memoria saranno configurati in modo da presentarsi come un’unica risorsa di archiviazione per il sistema e come il sistema vi accederà e li gestirà nella pratica.
L’implementazione di un singolo dispositivo di memoria Flash, o anche di un piccolo numero, non è necessariamente difficile per i progettisti embedded, ma quando la capacità si estende a molti Gigabyte diventa più impegnativo. Inoltre, il modo in cui verrà utilizzata la (tipica) memoria flash NAND e gli effetti a lungo termine di tale utilizzo in vari scenari devono essere presi in considerazione. Ci sono molti parametri di prestazione per la memoria flash che devono essere gestiti con attenzione se si vuole fornire una funzionalità ottimale per tutta la durata dell’applicazione, che può essere di molti anni o addirittura decenni per le apparecchiature non-consumer.
Un’altra considerazione quando si implementano SSD utilizzando componenti flash discreti è come il sistema “vedrà” la memoria. A questo proposito, i molti decenni di progettazione ed esperienza nello sviluppo di interfacce HDD/SSD non possono essere ignorati. Interfacce quali SATA, SD/eMMC, CF/PATA e USB hanno dimostrato di essere il modo più flessibile ed efficiente per collegare l’archiviazione di massa a sistemi di qualsiasi dimensione e, sotto questo aspetto, rimane l’approccio consigliato per fornire un’interfaccia a una soluzione DoB.
Il ruolo del controllore della memoria flash
I requisiti di progettazione a livello di sistema del DoB vengono soddisfatti attraverso il controllore della memoria flash. Il controllore fornisce l’interfaccia tra l’host e la NAND flash utilizzando interfacce standard ma senza i costi e lo spazio richiesto dai connettori fisici.
I controllori di memoria flash sono progettati per supportare una vasta gamma di interfacce e gestire tutte le attività e le funzioni necessarie per l’utilizzo di NAND flash. Ciò include funzioni come il garbage collection, la correzione degli errori e il wear leveling, ognuna delle quali è implementata dal produttore del controller flash. Questo può anche estendersi a funzioni aggiuntive che migliorano le prestazioni, come la tecnologia hyMap FTL implementata nel processo di progettazione del controllore.
Ad esempio, la funzionalità di correzione degli errori nei controllori di memoria Hyperstone dispone di una tecnologia proprietaria chiamata FlashXE (eXtended Endurance). FlashXE implementa la correzione degli errori basata sui codici BCH (Bose-Chaudhuri-Hocquenghem) e i controllori dispongono anche di un modulo di correzione degli errori ausiliario che utilizza Generalized Concatenated Codes (GCC). Inoltre, ogni volta che la correzione degli errori identifica un errore, utilizza questa informazione per prevenire ulteriori errori facendo automaticamente il refresh del blocco o delle pagine. Un altro firmware presente nei controllori flash può essere utilizzato per monitorare lo stato di salute catturando parametri come il numero di cancellazioni, lo stato dei disturbi di lettura, lo stato del wear leveling, il numero totale di errori ECC correggibili e molto altro ancora. In definitiva, il controller flash è un ingrediente chiave in una soluzione DoB e la selezione dovrebbe essere ben ponderata, specialmente quando si progetta una soluzione di lunga durata.
DoB in pratica
Anche se un approccio DoB è ideale per l’archiviazione “deeply embedded”, esso ha molti vantaggi che lo rendono attraente anche in altri scenari d’uso. L’utilizzo di componenti discreti al posto di un prodotto finito riduce il costo totale e offre anche al produttore il controllo totale sul Bill of Material (BoM).
Essere in grado di progettare una soluzione completa include la scelta di ogni componente per la sua idoneità, fino ai condensatori dell’alimentatore, se necessario. Questo è vantaggioso per diversi motivi. In primo luogo, significa che il costruttore ha maggiore fiducia nel DoB che soddisfa i requisiti specifici dell’applicazione, ma significa anche che una volta che un BoM è qualificato non c’è alcuna possibilità che uno qualsiasi dei componenti possa cambiare senza che il costruttore ne sia a conoscenza. Questo è un vantaggio importante per gli OEM che operano in mercati altamente regolamentati, dove ogni componente utilizzato deve essere qualificato.
Nel caso invece di un SSD di terze parti, ognuno dei componenti può essere progettato o sostituito in base al prezzo, alle prestazioni o alla disponibilità e potrebbe essere necessario riqualificare l’intera unità, a spese del cliente piuttosto che del fornitore.
Il controllo completo del BoM è particolarmente importante nei mercati in cui è richiesta una disponibilità a lungo termine, come quello industriale o automotive, dove non sono rari i 10 anni. In questo caso, l’OEM sarebbe in grado di negoziare direttamente con il fornitore di componenti per estendere la disponibilità o acquistare all’ingrosso.
Con un’unità SSD generica, anche se progettata per applicazioni industriali, la scelta dei componenti all’interno del drive è limitata; il cliente finale deve accettare qualsiasi scelta fatta dal produttore del drive stesso. Tuttavia, anche se l’OEM è in grado di influenzare la scelta delle NAND flash, potrebbe non essere in grado di specificare il controllore della memoria flash utilizzato, in quanto potrebbe non supportare le memorie flash scelte. Con una soluzione DoB, la comunicazione tra il produttore del controllore, il produttore delle flash e l’integratore di sistema consente di rimuovere questa barriera. Questo approccio si presta maggiormente ad ottenere un sistema perfettamente ottimizzato.
Forse il più grande vantaggio di un approccio DoB, dal punto di vista dell’ottimizzazione, è la possibilità di mettere a punto il firmware nel controllore flash e del sistema operativo dell’host. Poiché il DoB in questione è progettato per un’applicazione specifica e non è generico, non è necessario che sia eccessivamente flessibile a scapito delle prestazioni. La capacità di integrarsi completamente a livello software e hardware è una potente caratteristica di progettazione per i DoB.
