Qual è la giusta scheda flash industriale per l'uso a lungo termine?

Tutti gli ingegneri hanno sempre a portata di mano una scorta ragionevole di schede microSD. Le mie schede erano sparse sulla scrivania in posizioni strategiche. Quando avevo bisogno di una scheda microSD per un telefono, un tablet o un computer monoscheda (SBC), magicamente ne facenvo spuntare una. Questo sistema ha funzionato alla grande fino al "disastro del riordino della scrivania del 2019", quando una microSD da 16 GB contenente una distribuzione Linux sperimentale svanì improvvisamente. Nel sacco dell'aspirapolvere non c'era, quindi immagino che adesso si trovi in quella misteriosa dimensione spazio-temporale in cui finiscono le viti non sostituibili e i rotoli di nastro isolante.

Naturalmente, dopo questo evento, iniziai a mettere tutte le mie schede microSD in un unico posto e, ovviamente, essendo un ingegnere, dovevo classificarle e categorizzarle tutte. Inizialmente tentai di organizzarle per capacità di memoria, ma poi, considerando la varietà della mia raccolta, decisi di seguire una strategia diversa.

Invece della capacità, decisi di considerare quali schede microSD avevano funzionato bene e quali no, perché i dati si erano danneggiati. Iniziai a cercare informazioni sulle schede online e, guardando le classificazioni, mi accorsi che c'erano moltissime informazioni errate. Ebbi i primi sospetti quando vidi che le schede microSD su cui i dati erano andati danneggiati erano spesso le più veloci e quelle con le valutazioni migliori da parte di utenti "imparziali". Quindi, da bravo ingegnere, feci le mie ricerche e scoprii che per le schede microSD, come nella vita del resto, è molto più importante ciò che non viene detto rispetto a ciò che viene detto.

Nozioni di base sui tipi di memoria flash

Per comprendere la memoria flash, dobbiamo considerare la struttura dei semiconduttori della cella di memoria. Una memoria flash SLC (single-level cell) è un bit per cella (Figura 1). Una memoria flash MLC (multi-level cell) fa riferimento a più bit per cella, che poi in realtà sono solo due bit per cella. Questo secondo me è un fallimento del marketing, che ha conseguenze che spiegherò più avanti. Una memoria flash TLC (triple-level cell) è tre bit per cella e QLC (quad-level cell) è quattro bit per cella.

Figura 1: I tipi di memoria flash si distinguono in base al numero di bit per cella, con implicazioni per ognuno perché il numero di bit aumenta da SLC fino a QLC. (Immagine per gentile concessione di Micron Technology)

Più bit un array di memoria flash riesce a inserire in una cella, minori saranno le dimensioni dell'array di memoria flash e meno costoso sarà il dispositivo. Però questa riduzione di dimensioni un costo ce l'ha. Più piccolo è lo storage di bit della memoria, meno cicli di programma/cancellazione (P/E) è in grado di sopportare la cella della memoria flash, che quindi risulta più vulnerabile agli errori. Inserendo diversi bit per cella e gestendoli con un controller di memoria flash con cache, si ottengono velocità molto elevate ma l'array di memoria assorbe anche più corrente per le operazioni di lettura e scrittura. Questo aspetto è importante, perché mi sono reso conto che nessuna vera scheda microSD SLC e MLC mi ha mai dato problemi.

Ho usato l'aggettivo "vera" perché, dal punto di vista tecnico, questa designazione di cella a due bit fa riferimento a più bit. Alcuni produttori meno affidabili di memorie flash (non vendute da distributori di elettronica autorizzati) spesso definiscono MLC i loro prodotti TLC e QLC, pensando che comunque si tratta di bit multipli.

L'aspetto che si tende a dimenticare quando si parla di schede microSD è il consumo energetico. I produttori di schede consumer raramente pubblicano il consumo energetico dei propri dispositivi. Se dovete usare schede flash per lavori seri, ricordatevi quindi di controllare questo parametro. Ci sono volute diverse ricerche, ma alla fine ho scoperto che tutte le schede microSD su cui i dati erano andati danneggiati erano tra quelle che consumavano di più, e alcune anche tra le più veloci.

Quindi, se usate una scheda flash in un computer monoscheda (SBC) come Raspberry Pi 3 Model A+ (Figura 2), è consigliabile inserire il basso consumo energetico tra i fattori più importanti, se la scheda dovrà funzionare in una posizione remota senza supervisione. Probabilmente non sarà possibile eseguire manutenzioni regolari per verificare il comportamento della scheda. La scheda più veloce o con densità maggiore potrebbe non essere la soluzione più affidabile a lungo termine.

Figura 2: Nello scegliere una scheda microSD per un dispositivo SBC come Raspberry Pi 3 Model A+, è auspicabile puntare a un basso consumo energetico perché è sinonimo di maggiore affidabilità. (Immagine per gentile concessione di Raspberry Pi)

Un esempio di scheda flash affidabile per uso industriale è la scheda microSD da 4 GB S304TLNJM-U1000-3 di Delkin Devices (Figura 3). È una scheda flash SLC con ampio intervallo della temperatura di funzionamento, da -40 a +85 °C, che la rende idonea per ambienti industriali difficili. Mentre di solito le schede microSD assicurano un periodo di conservazione dei dati di tre o anche cinque anni, questa scheda flash SLC da 4 GB arriva fino a 10 anni, un periodo decisamente lungo per un prodotto di questo tipo.

Figura 3: S304TLNJM-U1000-3 è una scheda flash microSD SLC a 4 GB di grado industriale, con consumo energetico particolarmente basso ed elevato periodo di conservazione dei dati che raggiunge i 10 anni. (Immagine per gentile concessione di Delkin Devices)

Il consumo energetico della scheda S304TLNJM-U1000-3 è insolitamente basso. L'assorbimento di corrente tipico in lettura è indicato come inferiore ai 50 mA, un valore molto più basso rispetto a quello della maggior parte delle schede consumer. La corrente in scrittura tipica è indicata come inferiore ai 100 mA, anch'essa decisamente più bassa rispetto a quella delle altre schede consumer. La corrente in scrittura è importante per i nodi dell'Internet delle cose (IoT) alimentati a batteria, che potrebbero dover aggiornare l'in-system della memoria flash. La corrente di riposo tipica è inferiore a 0,500 mA. Questo è un aspetto fondamentale per i nodi IoT alimentati a batteria, perché in alcune applicazioni una scheda microSD trascorre molto più tempo in modalità di inattività che non in uso.

Tutti questi valori contribuiscono al raggiungimento di un limite di longevità molto elevato di 60.000 cicli P/E. È difficile fare un paragone tra questi numeri e quelli dei concorrenti, perché molti produttori non specificano o rilasciano queste informazioni al pubblico e, se lo fanno, bisogna leggerle con attenzione. Ad esempio, il periodo di conservazione dei dati di 50 anni vantato da un'altra scheda è molto interessante, finché non vi accorgete che vale solo se la scheda non viene riscritta durante tutto il periodo di conservazione dei dati. Delkin Devices è molto specifica: dichiara che il periodo di conservazione dei dati di 10 anni della scheda S304TLNJM-U1000-3 è valido se viene utilizzato il 10% dei 60.000 cicli P/E specificati.

Conclusione

Naturalmente non tutte le schede microSD sono uguali, quindi sceglietele con cura, soprattutto per i sistemi embedded che potrebbero dover funzionare senza supervisione per molti anni, probabilmente con poca manutenzione e controlli limitati in termini di conservazione dei dati in memoria. La memoria SLC presenta molti vantaggi per questo tipo di applicazioni.

e specifiche mi ricordano una massima molto saggia: quello che non viene detto o fatto è sempre più importante di quello che viene detto e fatto.