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Nuevos SSD de Advantech, Diseñando sistemas de almacenamiento de datos de última generación

Los nuevos SSD de Advantech ofrecen capacidad, rendimiento, tamaño y fiabilidad en aplicaciones de grado industrial.

Los diseños de almacenamiento SSD a menudo necesitan abordar diferentes desafíos, que van desde las restricciones del factor de forma hasta el funcionamiento en entornos hostiles. Creando nuevos sistemas con la capacidad y rendimiento necesarios. Alexander Fritsch, Gerente de Desarrollo de Negocios Embedded-IoT en Advantech, analiza como los SSD NVMe avanzados y de diseño térmico innovador, aportaron un diseño compacto, de alto rendimiento y alta capacidad, con sistemas de recopilación de datos de grado industrial para datos basados en la visión y capaces de funcionar a temperaturas extendidas.

 

Visión y almacenamiento de datos

La demanda de almacenar de manera eficiente grandes volúmenes de información de cámaras está creciendo rápidamente, desde la vigilancia y la automatización de fábricas, hasta el procesamiento de datos para aplicaciones de inteligencia artificial (IA). La firma de investigación de mercado Stratistics MRC cree que el mercado global de la visión artificial industrial se expandirá de $8.54 mil millones en 2017 a $16.89 mil millones para 2026, mientras que Allied Market Research  predice que el mercado de las cámaras automotrices verá un crecimiento anual de casi el 10% hasta alcanzar los 24.100 millones de dólares en 2025.

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La necesidad de almacenar eficientemente grandes volúmenes de datos basados en la visión está creciendo | Foto: Advantech

En términos de IA ha habido una explosión en el número de aplicaciones que utilizan el aprendizaje automático, mediante el desarrollo de patrones mediante el análisis de grandes volúmenes de datos basados en la visión. Esto se refleja en un informe reciente de  ResearchAndMarkets  que predice que el mercado de la «IA en la visión por ordenador» alcanzará los 25.320 millones de dólares en 2023, sobre la base de un CAGR del 47,54% desde 2018.

Todas estas aplicaciones requieren almacenamiento confiable, de alta capacidad y alto rendimiento. En muchos casos, estos sistemas también pueden necesitar operar en entornos desafiantes, como entornos industriales, el cuerpo de un vehículo o avión, o al aire libre. Mientras que los SSD basados en memoria flash NAND no volátil  son la tecnología de elección, puede haber problemas al implementar SSD en aplicaciones industriales o «no consumidoras».   Además de ese  rendimiento de flash NAND, la fiabilidad y la resistencia disminuyen a medida que aumenta la densidad de almacenamiento.

 

SSD de grado industrial

Para hacer frente a los requisitos de rendimiento, los fabricantes han desarrollado sofisticadas funciones de firmware de autogestión, como Over Provisioning (OP) y NAND Boost. El sobreaprovisionamiento (OP) admite un uso más eficiente de la diferencia de capacidad entre el almacenamiento físico real de la memoria flash y la capacidad lógica presentada al usuario por el sistema operativo. Esto, a su vez, conduce a un mejor rendimiento sostenido. NAND Boost, por otro lado, proporciona una manera de mejorar el rendimiento maximizando las velocidades de transferencia de datos.

Sin embargo, el rendimiento es sólo una parte de la historia. Las SSD de «grado industrial» también deben ofrecer una mayor fiabilidad a través de la gestión inteligente de fallas de energía. Los últimos SSD flash  SQFlash NAND de Advantech, por ejemplo, optimizados para aplicaciones AIoT como el piloto automático y la visión industrial de la máquina,  ofrecen las siguientes cuatro funciones:

 

Protección contra fallos de alimentación: Cuando el voltaje cae por debajo de 2,9 V, el controlador detiene toda la actividad de memoria para evitar que se escriban o accedan a datos no válidos. Una vez que se restablece la alimentación, una comprobación de integridad de datos evalúa la validez de los datos y toma medidas correctivas para eliminar la posibilidad de datos incorrectos resultantes de una escritura no completa en flash.

Power Drop Catcher: Incluso una caída de energía de menos de 1 ms (no inusual en muchos escenarios industriales) puede afectar a la funcionalidad de lectura/escritura o hacer que los dispositivos se congelen.  Con Power Drop Catcher, un CI de restablecimiento integrado restringe la sincronización de restablecimiento para manejar los fallos que podrían resultar de caídas de voltaje.

Flush Manager: DRAM desplegado para aumentar el rendimiento y la resistencia de SSD actuando como una memoria caché entre el controlador y el almacenamiento que debe ser alimentado. Flush Manager proporciona integridad de datos al garantizar que los datos válidos solo se almacenan en la memoria flash y no en la memoria caché en caso de un fallo de alimentación o una fuente de alimentación inestable.

Estabilizador de voltaje: Basado en una matriz de capacitores de tantalio, esta función integrada mantiene una fuente de alimentación estable tanto a la memoria flash como a la memoria caché DRAM cuando el detector de voltaje incorporado detecta una entrada de alimentación inestable (por debajo de 4,75 V o por encima de 5,25 V).

Mantener los datos almacenados seguros es otra consideración importante para los sistemas de almacenamiento industrial. Los SSD SQFlash abordan esto a través de una variedad de capacidades avanzadas de seguridad de datos que van desde funciones que bloquean comandos de lectura y escritura a través de una configuración de firmware SSD hasta opciones de borrado rápido o de emergencia.

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Flujo de trabajo de desbloqueo de ID de seguridad | Foto: Advantech

Security ID permite a los usuarios agregar un bloqueo de cifrado seguro al software de aplicación específico para la administración de archivos y autorizaciones, mientras que Flash Lock, basado en la especificación de Opal trusted Computing Group (TCG), ofrece autorización de sistema y SSD.

 

Diseño SSD personalizado

Incluso las capacidades avanzadas de los últimos SSD de grado industrial no siempre proporcionarán una solución «lista para usar». A menudo, la tecnología SSD debe combinarse con el soporte de ingeniería especializado de fabricantes de dispositivos o casas de diseño de terceros. Esto se cumple en los diseños en los que el almacenamiento de estado sólido debe funcionar en espacios reducidos, o en amplios rangos de temperatura, o en ambos.

Tomemos, por ejemplo, un sistema que Advantech desarrolló recientemente para almacenar grandes volúmenes de datos de imagen en una aplicación de aprendizaje automático. El requisito era un sistema de recopilación de datos de alta capacidad en un factor de forma muy pequeño que aprovechara el rendimiento de las Unidades SSD PCIe utilizando el protocolo de comunicaciones NVMe. Diseñado para el despliegue global,  se esperaba que el sistema funcionara a temperaturas de hasta -40 ºC y hasta 85 ºC.

El diseño se basaba en las Unidades SSD NvMe SQFlash  920 de Advantech, que utilizan la tecnología flash BiCS 3D NAND de Toshiba, que admite hasta 8 TB de capacidad por unidad. Una tecnología de controlador que incluye los avances de firmware mencionados anteriormente, junto con LDPC y un motor de corrección de errores RAID-ECC, que garantiza que las unidades proporcionen niveles de resistencia similares a los SSD basados en flash MLC NAND planas.

 

Abordar el desafío de la gestión térmica

El equipo de diseño interno de Advantech tiene amplia experiencia en gestión térmica, habiendo trabajado en muchos diseños estándar y personalizados que integran SSD NVMe  en aplicaciones industriales. Estos incluyen una serie de sistemas informáticos integrados que incorporan refrigeración activa y pasiva. De hecho, es este equipo el responsable de muchas de las características de gestión térmica ya integradas en las SSD NVMe de Advantech SQFlash.  Estos incluyen la gestión de la limitación térmica, mediante la detección de sobrecalentamiento (a través de un sensor incorporado) el firmware acelera el rendimiento general del SSD, obligando al CI del controlador a enfriarse. Las caídas repentinas de velocidad se evitan a medida que el mecanismo de limitación se divide en varias etapas.

El equipo también ha desarrollado un innovador diseño de disipador térmico que ayuda a reducir las temperaturas internas hasta en 10 ºC en comparación con los SSD NVMe que dependen exclusivamente de la limitación térmica para el control de la temperatura.

La simulación térmica identificó posibles puntos débiles térmicos y la necesidad de combinar SSD U.2 con disipadores térmicos personalizados y refrigeración activa para reducir la acumulación masiva de calor en la aplicación de destino | Foto: Advantech

La primera etapa del diseño de gestión térmica fue utilizar simulaciones térmicas previas al diseño para identificar puntos débiles térmicos y ver dónde era más probable que se produjera una acumulación significativa de calor. A través de estas simulaciones se comprobó que, incluso con la funcionalidad de gestión térmica incorporada, la primera opción de SSD NVMe con un factor de forma M.2 no iba a funcionar en el diseño dado. La razón principal de esto fue que los dispositivos eran demasiado delgados para proporcionar una correcta disipación de calor cuando están trabajando en la aplicación de destino.

Sin embargo, un nuevo modelado térmico demostró que una solución basada en U.2 SSD podría cumplir con los requerimientos añadiendo niveles adecuados de refrigeración personalizada.

Junto con un gel de enfriamiento especial, el diseño de disipador térmico personalizado de grado industrial optimiza el rendimiento térmico | Foto Advantech

Con esto en mente, el equipo de Advantech diseñó un disipador térmico personalizado de grado industrial que se montaría directamente en cada uno de los SSD. Para maximizar la disipación de calor, estos disipadores térmicos se utilizaron junto con un gel de refrigeración que fue optimizado específicamente para la aplicación de destino y una grasa térmica con una flexibilidad mecánica excepcional. Este último ayudaría a evitar el riesgo de daños físicos a los componentes SSD tras cambios bruscos de temperatura.

 

Descripción general de la solución

El producto terminado ahora empaca hasta ocho SSD NVMe de 8 TB en un sistema de almacenamiento. Además de las tecnologías OP, NAND Boost, power failure y advanced security mencionadas anteriormente, la aplicación incluye control de secuencia de potencia para un funcionamiento y estabilidad de alta eficiencia además de tecnología SMART (Self-Monitoring, Analysis and Reporting Technology). Esto permite a los usuarios supervisar de forma remota el estado del sistema en tiempo real a través de una interfaz gráfica. SMART incorpora monitoreo de temperatura en tiempo real de las temperaturas de trabajo SSD a través de la interfaz PCIe, lo que permite que los controladores de sistema integrados administren los ventiladores inteligentes integrados que proporcionan la refrigeración activa del sistema.

Advantech gestionó todos los elementos del diseño eléctrico y mecánico necesarios para llevar el proyecto a término, incluyendo el desarrollo e implementación del sistema de refrigeración activa personalizado, que tuvo que ser optimizado para la carcasa del sistema de almacenamiento compacto. Además de abordar los desafíos técnicos del diseño, la combinación de tecnología, capacidades de ingeniería personalizadas y servicios de fabricación de Advantech también ayudó a mejorar el tiempo de comercialización del nuevo producto para el cliente.

 

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