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?存儲卡及其在工業應用中的歷史

2021-08-12 來源:EEWORLD

在消費領域中,閃存卡已經存在多年。如今,所有的數碼相機和手機都離不開它們。但其重要性遠不止于此,因為它們在工業環境中也占有一席之地,并且是無數應用中必不可少的部分。在本文中,Swissbit AG 存儲解決方案總經理 Roger Griesemer 將會詳細介紹一些存儲卡格式的歷史,并解釋它們在工業應用中的區別。


CompactFlash?卡


在數據備份應用中,使用 NAND 芯片的存儲介質因只有有限的寫入量而令人望而卻步。與硬盤不同,閃存的寫入次數是有限的,并且在很大程度上取決于所使用的存儲技術。上世紀90 年代, NAND 閃存在變得更加普及且價格更加合理后,人們自然而然地開始尋求用固態 NAND 閃存技術取代對振動敏感的磁盤的方法。但是,由于其使用壽命有限,只能將其定義為可更換,且外形尺寸需要比當時的 2.5 英寸硬盤驅動器 (HDD) 小得多才有意義。90 年代中期,帶有 PATA 接口的 CompactFlash 卡(CF卡)誕生了。


容量以 MB 計的 CompactFlash 卡很快被數碼相機制造商采用。此后不久,筆記本電腦也裝上了 CompactFlash 讀卡器,將CF卡變成了一種便攜式存儲介質。在工業應用中,CompactFlash 展現出了許多優勢,最顯著是在穩健性和耐惡劣環境方面。CompactFlash 卡多年來一直在穩步發展。如今,它已經更新到了 6.0 版本,性能和容量都還在不斷提升。


CFast? 卡


由于并行接口包含大量信號線, CompactFlash 卡所采用的 PATA 接口(并行數據傳輸)后來被串行版本 (SATA) 所取代。新產品于 2008 年以 CFast 的名稱推出,人們所熟識的外形也沒有改變。然而,由于 SD 卡已經在消費市場占據主導地位,因此 CFast 在消費領域的應用相對較少。但對于工業應用而言,情況就有所不同了。在工業應用中,CFast 與其前身 CompactFlash 卡一樣得到了廣泛使用。跟 SD 卡相比,CFast 具有明顯的優勢:更高的存儲容量;連接器接口有完全的物理保護,防止誤觸和污染;更好的散熱能力;使用了相同的 CFC 插槽和 IPC 外殼;以及性能顯著提高。


就像從 PATA 切換到 SATA 一樣,CFast 卡也在不斷進化,對 PCIe 接口的采用迫在眉睫。PCIe 是存儲領域最新的接口標準。PCIe 3.1 支持高達 4 GB/s 的數據速率,而新的 NVMe 協議可以確保非常低的主機驅動程序到控制器固件的延遲。


XQD卡


同樣,最先采用 XQD 格式的領域是專業數碼相機。事實上,XQD 標準被一些數碼相機廠商定義為帶有PCIe接口的存儲卡。早在 2012 年,第一臺帶有專有 XQD 卡的相機就已問世。就物理尺寸而言,XQD 卡介于 SD 卡和 CFast 卡之間。然而,與 SD 卡不同的是,其電氣接口位于正面,觸點帶有防誤觸保護功能。


CFexpress卡


XQD 最初僅支持單 PCIe 通道。但它在 2017 年演變為 CF 協會(CompactFlash Association, CFA)的CFexpress,成為公布的標準。為了滿足不同的性能要求,有單 PCIe 通道的超薄型A 型、支持 2 通道的 XQD 兼容型 B 型和尺寸更大的 4 通道 C 型。2 通道 B 型的數據速率可達到約 1.5 GB/s,性能是 CFast 的四倍。因此,可以預見,CFexpress 卡將會與 CFast 卡一樣,在工業應用中得到廣泛應用。


此外,它與CFast 卡一樣具有很多優勢:觸點保護防誤觸、保護設備免受環境影響的封閉式外殼以及在惡劣的工業條件下也能安全更換。CFexpress 卡支持熱插拔,可以在運行時直接更換,從而減少工廠設備的停機時間。


SD Express 卡


目前,另一種正在爭奪可更換存儲媒體市場且采用了 PCIe 接口的產品是 SD Express 卡。它采用了 SD 存儲卡的尺寸和 SD 卡的接口,同時帶有一個額外的 PCIe 接口。這使得它能夠在采用了先進的 PCIe 系統的同時向后兼容傳統的 SD 卡應用。該標準將得到哪種程度的應用還有待觀察。


工業存儲卡的區別在哪?


盡管存儲卡在消費類產品和工業環境中都得到了廣泛使用,但在某些情況下,這兩個市場的要求完全不同:例如,熱管理在工業應用中極為重要。它通過限制數據速率以確保發熱量保持在限制范圍內,而不會對系統性能產生太大影響。此外,還應使用支持 -40℃ 至 +85℃ 工業溫度范圍的 NAND 閃存,并且該閃存還需要支持交叉溫度(寫入和讀取時的溫度不同)。


同時,工業級產品的使用壽命通常會比消費級產品高出數倍。供能系統或鐵路控制系統中的控制器在現場使用了 20 年的情況并不少見,因此直到如今仍然需要購買可用于更換的存儲卡。作為工業級內存產品方面的專家,Swissbit 自 CompactFlash 時代開始就一直為要求嚴苛的應用提供經過專門優化的卡。Swissbit 是 CFast 卡市場的推動者之一。Swissbit 還提供專為嵌入式市場開發的 CFexpress 卡。Swissbit 不僅活躍于各個世代的初期,也活躍于進入舊型階段的產品。


作者:Swissbit AG 存儲解決方案總經理 Roger Griesemer。

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(圖片來源 Swissbit)

 

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在可移動存儲介質的整個發展過程中,Swissbit 一直為工業應用提供產品,并持續為舊型系統提供長期支持。


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CompactFlash? 卡最初用作數碼攝影的存儲,后來進入了鐵路控制系統、網絡系統等設備。


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與 SD 存儲卡相比,CFast? 具有更高的存儲容量、更佳的觸點保護能力以避免誤觸和污染等風險、更高效的散熱以及更易于使用的堅固外殼。


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目前,Swissbit 推出了 G-20 CFexpress 卡,它采用了高成本效益的 3D TLC NAND ,同時還有采用 3D pSLC 的具有高長期穩定性的 G-26。


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