Wie wichtig das Internet der Dinge (IoT) mittlerweile ist, zeigt eine aktuelle Analyse des McKinsey Global Institutes: Demnach könnte der Einfluss des IoT auf die Weltwirtschaft bis 2025 auf knapp sechs Billionen Euro wachsen. Im Jahr 2020 rechnet der Report mit einem Marktumfang für vernetzte Geräte von 20 bis 30 Milliarden Stück.
Bereits in den vergangenen Jahren ist der Einsatz von IoT-Geräten exponentiell gewachsen; heute sind sie ein fester Bestandteil des täglichen Lebens. Man unterscheidet bei den Geräten drei Hauptkategorien: Consumer, Machine-to-Machine und Industrial Machine-to-Machine (M2M). Letzteres umfasst Bereiche wie Medizin, Sicherheit, Überwachung, Transport und Infrastruktur sowie Umweltüberwachung, Katastrophenmanagement und Einzelhandel.
Mehr Kommunikation erfordert mehr Sicherheit
Da eine industrielle IoT-Applikation Einfluss auf viele andere Bereiche hat, kann ihr Ausfall schwerwiegende Folgen haben. Gleichzeitig sind die zu erwartenden Umweltbedingungen ungleich schwerer, als bei gewöhnlichen Consumer- oder M2M-IoT-Anwendungen. Denn die Kommunikation läuft nicht ausschließlich zwischen Client und Server ab, sondern diese agieren als gleichwertige Parallel-Systeme, die eigenständig Entscheidungen treffen und mit anderen Systemen kommunizieren.
Ein Zusammenbruch dieser Kommunikation muss deshalb ausgeschlossen werden. Da die Systeme ihre Aufgaben oft schneller bearbeiten als der Mensch, müssen sie in der Lage sein, diese zuverlässig und unabhängig vom Menschen durchzuführen. Daten, die während einer kurzzeitigen Störung verlorengehen, können kritisch gewesen sein und die Folgekosten eines Ausfalls nahezu unkalkulierbar machen. Das häufig kompakte Systemdesign kommt erschwerend hinzu, wodurch in Summe sichere, kleine und dabei schnelle Datenspeicher benötigt werden.
SD-Karten: Kompakt und bewährt
SD- und uSD-Karten besitzen eine Reihe von Eigenschaften, die in industriellen IoT-Geräten (IIoT) benötigt werden. Ihr kleiner Formfaktor erlaubt beispielsweise den Einsatz in Anwendungen mit geringem Platzangebot. Sie sind zuverlässig, schnell, verbrauchen wenig Strom und sind deshalb besonders für den Außeneinsatz interessant. Dafür spricht auch die Tatsache, dass sie in den Temperatur-Versionen Extended (-25 bis 85 °C) und Industrial (-40 bis 85 °C) verfügbar sind. Zudem hat sich der SD-Standard durch jahrelange Verwendung in unterschiedlichen Bereichen etabliert und kontinuierlich weiterentwickelt
Dennoch unterliegen SD-Karten technischen Herausforderungen, die ihre Funktion beeinflussen können. IoT-Geräte laufen oft ohne Unterbrechung und ihre Sensoren müssen alle erfassten Daten aufzeichnen. Dabei kann selbst eine kurze Verzögerung beim Speichern der Daten auf die Karte zu Datenkorruption führen. In diesem Fall würden dem betroffenen Gerät wichtige Informationen für eine reibungslose Funktion fehlen, was wiederum zu schwerwiegenden Fehlfunktionen führen kann.
Die einfachste Lösung, um diese Gefahr zu reduzieren, ist ein Datenbackup. Die Geräte sollten generell über eine Notfallbatterie verfügen, für SD-Karten gibt es allerdings eine noch effizientere Lösung: Die Hersteller können die SD-Karten so einrichten, dass sie im Falle einer Datenkorruption den letzten funktionierenden Status wiederherstellen können. Ähnliche Ansätze gibt es auch bei PCs nach einem Systemabsturz.
Wachsende Anforderungen an Speicher
Neben der Unterbrechung der Datenübertragung stellen Read-Disturb-Effekte eine weitere Herausforderung dar. Sie haben ihren Ursprung in der Architektur von NAND-Flash-
basierten Speichermedien, wie es auch SD-Karten sind. Ein solcher Effekt kann auftreten, wenn die Ladung einer Zelle auf eine benachbarte Zelle überspringt, und er bewirkt, dass die übertragene Ladung den Zustand der Nachbarzelle und die darin gespeicherten Daten verändert. Dieses Problem lässt sich grundsätzlich design-technisch nicht ausschließen.
Einige Lösungsansätze beugen dem Read-Disturb-Effekt aber vor. Zum Beispiel können entsprechende Algorithmen die gespeicherten Daten regelmäßig auf mögliche aufkommende Probleme prüfen. Außerdem kann ein Auto-Refresh-Mechanismus Maßnahmen ergreifen, um die Datenintegrität wiederherzustellen. Beide Mechanismen werden bereits während der Herstellung in die Karten integriert. Deshalb ist es für Nutzer wichtig, damit ausgestattete Karten zu kaufen.
Herausfordernd für SD-Karten die im IIoT-Umfeld eingesetzt werden, ist auch die Tatsache, dass es heute immer mehr Fälle gibt, in denen sie unter extremen Bedingungen arbeiten müssen. Dazu gehören Temperatur, Feuchtigkeit, Druck, Vibrationen oder Schock. Vernetzte Fahrzeuge beispielsweise werden weltweit immer beliebter, sowohl in den kalten Regionen Russlands als auch in heißen Wüstenregionen im mittleren Osten.
Die dort vorherrschenden Extremtemperaturen stellen eine große Herausforderung für das Speichermedium dar. Gleichzeitig drohen bei Datenverlust oder gar einem Komplettausfall des Speichermediums eine Reihe von Konsequenzen für das betroffene Fahrzeug. Kritisch hierbei ist Data Retention, also die Zeit, über die Daten auf einem NAND-Flash-Speichermedium gespeichert bleiben können, ohne vom Nutzer oder der Karte selbst aufgefrischt zu werden.
Extreme Temperaturen beeinflussen die Fähigkeit der NAND-Zelle, die elektrische Entladung zu speichern enorm – eine hieraus resultierende Ladung einer oder mehrerer Zellen würde zu Beschädigung oder Verlust der Daten führen. Daraus können applikationsspezifische Konsequenzen resultieren, etwa wenn Kartendaten für das Navigationsgerät auf dem Medium gespeichert sind. In solchen Fällen kann es vorkommen, dass etwa die Navigation im Urlaub aufgrund verloren gegangener Kartendaten nicht korrekt funktioniert.
Derartige Probleme können Hersteller industrieller Speichermedien auf unterschiedliche Weise angehen. Zum einen sollten Produkte für solche Anwendungsbereiche vorab umfassend auf ihre Funktion unter schwierigen Bedingungen getestet werden. Dadurch stellen Hersteller sicher, nur entsprechend robuste Produkte auszuliefern.
Auf Funktionen und Algorithmen achten
Auch speziell auf Data-Retention-Probleme ausgelegte interne Algorithmen können die Datenqualität gewährleisten. Dabei läuft ein interner Prozess im Hintergrund ab, der auf mehreren Triggern und Parametern basiert und damit die gespeicherten Daten regelmäßig prüft und gegebenenfalls korrigiert. Ähnlich wie beim Auto-Refresh-Mechanismus für den Bereich Read Disturb wird auch der Dynamic-Data-Refresh-Algorithmus bereits produktionsseitig in das Medium implementiert.
Die Wahl der passenden Speicherkarte für eine IIoT-Anwendung ist im Wesentlichen von der Applikation selbst sowie von ihrer Einsatzumgebung abhängig. Vereinfacht lässt sich allerdings sagen, dass es ratsam ist, Produkte von Herstellern zu verwenden, die sich auf Design und Herstellung von
Speichermedien für industrielle Anwendungen spezialisiert haben.
