La memoria, il componente critico delle applicazioni IIoT

L’enorme volume di archiviazione dei dati richiesto dai sistemi IIoT ha reso le memorie un elemento fondamentale e critico del tessuto IIoT. Per questo motivo le memorie per questi sistemi devono essere affidabili e resilienti, scalabili e funzionali, e devono offrire elevate prestazioni con bassa latenza.

Fabbriche intelligenti, macchinari automatizzati, edifici intelligenti, attrezzature agricole automatizzate, trasporti connessi e applicazioni sanitarie fanno tutti parte del crescente tessuto dell’Industrial Internet of Things (IIoT). Entro il prossimo decennio, l’IIoT determinerà un cambiamento significativo in tutti i settori industriali dell’economia, che insieme rappresentano quasi i due terzi del prodotto interno lordo (PIL) globale, secondo un rapporto del 2015 redatto dal World Economic Forum.  L’adozione diffusa di una forza lavoro digitale più produttiva supportata dalle applicazioni IIoT rivoluzionerà il modo in cui le persone lavorano attraverso nuove interazioni tra uomo e macchina. Tali cambiamenti potranno spaziare dal funzionamento delle macchine produttive 24/7, alla realizzazione di notevoli risparmi energetici negli edifici commerciali, ad un aumento delle rese agricole da terreni agricoli non disciplinati e altro ancora.

Oggi la quantità di dati generati dalle applicazioni IIoT stanno aumentando ad un ritmo esponenziale. Alimentati da innovazioni hardware e nuovi servizi software, i dati IIoT sono fondamentali per la registrazione e l’analisi delle varie condizioni operative. Le preziose informazioni sono ricavate dai dati IIoT raccolti, consentendo alle aziende di prendere decisioni automatizzate e reagire in tempo reale. Le aziende possono anche utilizzare questi dati per aumentare il numero di lavoratori, rendendo il loro lavoro più sicuro, più produttivo e coinvolgente.  L’enorme volume di archiviazione dei dati richiesto dai sistemi IIoT ha reso la memoria un elemento fondamentale e critico del tessuto IIoT. Tuttavia, la memoria utilizzata in IIoT richiede un set unico di caratteristiche per assicurarsi che sia affidabile e funzioni come richiesto in tutte le condizioni operative. La memoria per i sistemi IIoT deve essere affidabile e resiliente, scalabile e funzionale e deve offrire elevate prestazioni con bassa latenza.

Esposizione ambientale e importanza dei test

Le applicazioni IIoT sono spesso soggette a condizioni ambientali difficili che possono avere un impatto sulla funzionalità e sulla durata della memoria. Ad esempio, la memoria utilizzata in apparecchiature di comunicazione IIoT esterne può corrodersi ed essere cosi soggetta a guasti se esposta a condizioni ambientali severe. Più specificamente, i resistori utilizzati sui moduli di memoria possono corrodersi se esposti a sostanze chimiche aggressive presenti nell’aria. I guasti legati al solfuro d’argento negli ambienti operativi ricchi di zolfo sono emersi come causa primaria di corrosione delle resistenze, il che successivamente causa guasti ai moduli di memoria delle applicazioni IIoT. La solforazione si verifica quando le molecole di zolfo migrano tra il film protettivo e l’elettrodo esterno verso l’elettrodo interno, dove reagiscono formando argento. Per risolvere questo problema sui moduli di memoria vengono ora utilizzati anti-sulfur resistor (ASR).  Gli ASR utilizzano un elettrodo interno in Argento Palladio (AgPd), anziché argento (Ag), per prevenire la corrosione della resistenza. Per determinare se i moduli di memoria restituiti per i test a seguito di avarie e guasti sono interessati da problemi dovuti alla presenza di solfuro d’argento, questi devono essere testati per verificarne la funzionalità. Inoltre, i terminali delle resistenze devono essere controllati e ispezionati visivamente con un elevato ingrandimento per verificare se funzionano correttamente.

È importante notare che non tutti i moduli di memoria devono essere realizzati con ASR. Decidere se gli ASR devono essere usati in un modulo di memoria dovrebbe essere fatto attraverso una rigorosa valutazione delle condizioni operative sul campo a cui l’applicazione sarà esposta. Tuttavia, negli ultimi anni la contaminazione da zolfo è diventata più diffusa e l’uso di ASR è di conseguenza in crescita.

Figura 1 – I guasti legati al solfuro d’argento negli ambienti operativi ricchi di zolfo sono una causa primaria della corrosione dei resistori.

Figura 2 – Esempi di conformal coating e underfill.

 

Underfill e Conformal Coating 

Un altro elemento critico nella protezione dei moduli di memoria utilizzati negli ambienti operativi IIoT particolarmente difficili è l’uso dei cosiddetti underfill e conformal coating, applicati dopo la realizzazione di un modulo di memoria. Lo scopo dell’underfill e conformal coating è quello di fornire protezione da urti, vibrazioni, umidità, condensa e sostanze chimiche aggressive presenti nell’aria. Un materiale per underfill viene iniettato sotto tutti i dispositivi Ball Grid Array (BGA) sul modulo (DRAMS, register, ecc.). Loctite 3593 è il più noto materiale per underfill utilizzato in questo processo. Si tratta di una resina epossidica liquida a rapido indurimento, progettata per essere utilizzata come un flusso capillare per underfill di package chip size in grado di offrire i massimi livelli di affidabilità. Il processo di applicazione del conformal coating (altrimenti anche indicato come incisione plasma etching) protegge i moduli da carenze o perdite di componenti critici causati da umidità, funghi, polvere, vapori salini e altri contaminanti. Questo passaggio comporta l’applicazione di un rivestimento spray su ciascun modulo. Il materiale di rivestimento è costituito da un film polimerico da 25-75 μm di spessore che si adatta alla topologia presente sul circuito stampato. Le aree di contatto critiche del modulo, come le lamelle dorate di contatto, vengono mascherate prima del rivestimento. I moduli vengono ispezionati visivamente utilizzando la luce ultravioletta e sottoposti ad un processo di polimerizzazione mediante permanenza in forno per 30 ore. Il film polimerico aiuta a mantenere una resistenza a lungo termine dell’isolamento della superficie e garantisce l’integrità operativa del modulo. Underfill e conformal coating sono soluzioni protettive che migliorano notevolmente l’affidabilità e assicurano una vita operativa lunga e senza problemi quando vengono utilizzate su moduli di memoria IIoT. Queste tecniche possono anche ridurre la necessità di inviare un tecnico sul posto per sostituire i moduli di memoria utilizzati nelle apparecchiature IioT, fatto quest’ultimo che può risultare molto costoso e negativo per il business.

Figura 3 – Rivestimento Conformal Coating su un modulo di memoria.

 

Figura 4 – Tipico processo di underfill.

 

La temperatura: uno dei fattori nelle memorie IIoT

La temperatura è un altro elemento critico che deve essere considerato quando si selezionano i moduli di memoria per le applicazioni IIoT. Le apparecchiature IIoT potrebbero dover esser avviate ed eseguire la loro funzione in ambienti sotto zero o essere installate in ambienti molto caldi con flusso d’aria limitato. Questo è un requisito comune per i settori trasporto e attrezzature agricole, che sono sul campo 24/7, 365 giorni l’anno, e potrebbero essere impiegate ovunque nel mondo. La memoria utilizzata in questi tipi di ambienti deve essere sottoposta ad un rigoroso processo di screening della temperatura per rimuovere ogni eventuale punto debole che potrebbe guastarsi in futuro.  Un rigoroso processo di test del modulo di memoria di tipo industrial grade include un avvio a freddo a -40° C, e la temperatura ambientale di funzionamento in salita fino a +85°C. I moduli devono essere testati ad un alto grado di utilizzo (ad esempio al 99%), mentre sono sottoposti a temperature industriali di verifica comprese tra -40°C e +85°C). Ciò richiede l’uso di schede di test personalizzate che espongono i moduli di memoria alle variazioni di temperatura durante l’esecuzione ad alta velocità.  Il software per il test di elevato utilizzo garantisce che tutte le celle nelle DRAM siano completamente sollecitate durante l’intero ciclo di temperature. Poiché i dati vengono raccolti in un ciclo di test di 10 ore, i moduli deboli possono essere rimossi.

Differenze nelle memorie di tipo industrial grade

Un’importante distinzione deve essere fatta tra i moduli di memoria di tipo industrial grade, che sono costruiti con I-temp DRAM, rispetto a quelli costruiti con componenti di qualità commerciale sottoposti poi a rigorosi test. Anziché utilizzare componenti I-temp pretestati separatamente, è utile avere i componenti passivi e attivi (cioè EEPROM, Registers e PLL), testati insieme. Ciò assicurerà che l’interazione dei componenti di memoria e l’integrità del segnale siano pienamente esercitati, quindi che qualsiasi problema di SPD, ‘hangs’, kernel panics, e ‘no-boot’ vengo scoperto e risolto. Il vantaggio complessivo è un Defective Parts per Million (DPPM) molto basso. Durante i test a caldo e a freddo, un singolo evento ECC può far valutare come fail il modulo di memoria. Le informazioni cumulative, raccolte e basate su DRAM di vari fornitori e die revision, possono essere utilizzate per valutare statisticamente i valori di DPPM e le prestazioni temporanee.

Figura 5 – Panoramica del rigoroso processo di test del modulo di memoria industrial grade da parte di SMART Modular Technologies.

 

Scalabilità e bassa latenza

Oltre ad essere affidabili, i moduli di memoria per le applicazioni IIoT devono essere scalabili, manutenibili, e offrire elevate prestazioni con bassa latenza. Poiché la quantità di dati prodotti e raccolti dalle applicazioni IIoT aumenta, la capacità di memoria e le prestazioni del sistema devono essere ridimensionate. L’integrazione della flessibilità nella progettazione del sistema IIoT può consentire aggiornamenti della memoria e delle prestazioni senza la necessità di una sostituzione completa del sistema. Con DDR4, le migrazioni di velocità dei moduli da DDR4 2133 a 2400 e 2666 ha consentito prestazioni più elevate. In parallelo, i sistemi possono essere aggiornati con capacità superiori di memoria. L’utilizzo tipico della memoria per i sistemi IIoT embedded è stato di 8 GB, DDR4 2133 ECC SO DIMM, migrati verso DDR4-2666 16GB e ora verso SO-DIMM da 32 GB. I sistemi IIoT possono essere configurati per entry level, mid range o anche enterprise grade utilizzando lo stesso schema progettuale del sistema di base.

Anziché sostituire complesse apparecchiature IIoT al crescere del business, si può procedere ad aggiornarle con moduli di memoria di maggiore capacità e velocità combinati con CPU di livello superiore. Inoltre, se l’apparecchiatura IIoT inizia a presentare  sul campo problemi imprevisti, è importante poter aggiornare la memoria per allinearla maggiormente alle condizioni operative. Di seguito sono riportati alcuni esempi di sistemi IIoT embedded.

Figura 7 – Un esempio di scheda di memoria DDR4  utilizzata nei sistemi embedded IioT.

 

Conclusioni

Per le applicazioni IIoT, la necessità di memoria affidabile non può essere sottovalutata. Dato che il volume di dati raccolti per migliorare il funzionamento e aumentare l’efficienza nelle grandi attività aziendali è una necessità che è destinata ad aumentare. Per garantire l’affidabilità all’interno di un’applicazione IIoT, i moduli di memoria devono essere sottoposti ad un processo di test completo, che copre elementi chiave come temperatura, velocità, carico e tempo. Dovrebbero essere prese in considerazione anche le eventuali severe condizioni ambientali quando si progettano applicazioni IioT, per prevenire o ridurre la possibilità che guasti di sistema possano verificarsi sul campo. L’Underfill ed il Conformal Coating forniranno la massima protezione da rischi derivanti da condizioni ambientali severe per i moduli di memoria utilizzati nelle applicazioni IIoT. Inoltre, la memoria IIoT deve essere scalabile, fornendo al contempo anche prestazioni elevate. I moduli DDR4 a bassa latenza possiedono tutte le caratteristiche richieste per il loro utilizzo in applicazioni con elevati requisiti. Man mano che le applicazioni IIoT vengono adottate più diffusamente in settori strategici, come agricoltura, sanità, produzione, costruzioni e trasporti, la memoria sta diventando e diventerà una parte sempre più importante del tessuto principale dell’IIoT.