FerriSSD® は、コンピュータオンモジュール設計の安全性と信頼性を向上させます

IoT技術は急速に拡大を続けており、エッジでのより多くの処理と制御を可能にしています。この継続的な展開の主要なポイントは、Computer On Module (COM) です。COMは、軍事、輸送、エンターテイメント、その他のアプリケーションに組み込みの機能を提供しますが、含まれるストレージコンポーネントは最新化が必要となる場合があります。ここでソリッドステートストレージが重要になります。Silicon Motionのこの記事では、Silicon MotionのFerriSSD®ドライブがComputer On Module (COM) のパフォーマンスを最適化する方法を示しています。

Computer on Module (COM)は、軍事、輸送、医療、エンターテインメント、ネットワーキング、および産業機器市場において、組み込みコンピューティング向けの最も広く採用されているハードウェアフォーマットです。COMフォーマットの人気の理由は、多くの利点にあります。これには、組み込みシステム開発の迅速化、リスクやコストの削減、システムカスタマイズの自由度が含まれています。標準的なフォームファクターを使用したCOMは、バックプレーンやキャリアボード上の技術を簡単にアップグレードまたは交換することを可能にします。

この記事では、COMシステムにおけるオンボードBGA SSDの需要と、COM設計の安全性および信頼性を向上させる方法について説明します。

あなたが学ぶこと:

標準的なCOMフォームファクターの小さい設置面積のため、COMメーカーはコンパクトなデータ保存技術を慎重に選択します。BGA SSDのようなチップスケールデバイスは、ミニチュアで魅力的な形式ですが、過去にはBGA SSDの比較的高価で不安定な価格が、メーカーがそれらを採用することを妨げていました。その代わりに、ほとんどのメーカーはソケットを組み込むか、起動ディスク上で動作する機能セットに適したSDカードやCompactFlash（CF）カード用コネクターを追加していました。

最近では、SDカードやCFカードを組み込みシステムで使用することに関して深刻な懸念が浮上しています。軍事、医療、オートメーション、輸送、およびその他の分野では、組み込みシステム上で動作するソフトウェアの開発に莫大な投資が行われています。これは、既存のCOMボードを新しい設計に置き換えることが非常に高コストであることを意味しており、20年以上の製品ライフサイクルが一般的です。

その結果、組み込みシステムメーカーはデータのセキュリティと長寿命に細心の注意を払い、COMに保存されたデータの整合性を妨げる可能性のある要因に対処する措置を講じています。また、廃棄されたデバイスのバッファメモリに残された残留データの盗難リスクについても、かなりの懸念が存在します。データ廃棄時のセキュリティに関する警告をデバイスに表示することでこのリスクに対処しようとする試みは失敗に終わっています。これにより、SDカードやCFカードなどのリムーバブルメディアの使用は過去のものとなりました。

同時に、NANDフラッシュストレージのギガバイトあたりのコストは近年低下しており、BGA SSDやeMMCなどのNANDベースのストレージ技術は以前に比べてCOMベンダーにとって魅力的になっています。実際、BGA SSDやeMMCストレージデバイスは、COM Express Basic、COM Express Compact、COM Express Mini、Qseven (Q7)、ETXを含むさまざまな組み込みコンピュータフォーマットで既に使用されています。最新の計算技術を高水準の産業用エッジコンピューティングアルゴリズムで活用する需要の増加により、高性能なSSD技術を活用できるCOM-HPC製品の生産も増加しています。

このように、COM システムにおけるオンボード BGA SSD の需要は、現在に至るまでさまざまな理由で増加しています。第一の理由は、COM ベンダーがコストと技術投資の収益に焦点を当て始めていることです。SSD 技術が市場に登場した当初、SSD デバイスのコストは比較的高く、NAND フラッシュストレージの価格はギガバイトあたり最大 40 米ドルにも達していました。さらに、この価格は NAND フラッシュの価格変動により不安定でした。このため、ベンダーはモジュールボードの標準ストレージオプションとして SSD を組み込むことに消極的でした。

時間の経過とともに、NANDフラッシュのコストは1ギガバイトあたりUS$1未満にまで下がりました。これにより、例えば8GBのSLCモードや32GBのSSDのコストが手頃になり、ベンダーがCOMボードにBGA SSDを埋め込むことを促進しました。

COM市場におけるSSD需要の増加のもう一つの理由は、顧客の需要です。例えば、産業用アプリケーションでは、堅牢なハードウェアとデータ保護が重要な要件となります。SDカードやCFカードは簡単に取り外し可能であるため、それらに保存された個人データが盗難の危険にさらされます。

軍事用途や産業用途で使用される機器は、高温、衝撃、振動、その他の環境現象に対する厳しい要件を満たす必要があります。コンピュータホストおよび機器内部のすべてのコンポーネントは、通常-40°Cから85°Cの広い温度範囲で動作するように設計されている必要があります。これはもちろんストレージデバイスにも同様に当てはまりますが、SDカードやCFカードは広い動作温度範囲をサポートすることは稀です。

さらに、SDカードやCFカード用のコネクタを過酷な環境で長期間使用すると、その性能が損なわれ、データ転送性能の低下や完全な故障に至ることがあります。産業用グレードのアプリケーション向けの製品は、衝撃にも対応できる必要があります。BGA SSDを使用する組み込み製品は、SDカードやCFカードと比べて、衝撃や振動にさらされた際にはるかに優れた性能を発揮します。

組込みコンピューティング市場におけるもう一つの要因は、産業用PC (IPC) ベンダーが非常に大きな競争圧力に直面しており、それがCOM製品ラインからの収益を抑えるリスクがあることです。利益を向上または維持するために、IPCメーカーは製品に付加価値を加える統合に多大な努力を注いでおり、その一環として、これまで外部のプラグインデバイスであった可能性があるコンポーネントをCOMボード上に組み込んでいます。ストレージは、組込みコンピューティングシステムにおいて最も重要なオンボード要素の一つです。IPCベンダーは常に、自社製品のストレージ提供に付加価値を加える機会を模索しています。

たとえば、今日のベンダーは、ユーザーのコアオペレーティングシステムとデータを保護する高度な安全性と安定性の設計機能を備えたBGA SSD製品を選択しています。これにより、データが簡単に破損したり削除されたりすることがなくなります。この機能によって、COM製品には価値ある新たなセールスポイントが加わり、ベンダーには重要な競争優位性がもたらされます。

保存されたデータの整合性を維持する必要性は、産業用製造システム、スマート医療画像プラットフォーム、デジタルディスプレイボード、エンターテインメントおよび放送、軍事装備などのアプリケーションにおけるCOMフォーマットの多くの実装に当てはまります。これには、不測のエラーやデータ損失のリスクを防ぐためのセキュアなデータストレージシステムの使用が求められます。

データ保護、セキュリティ、信頼性の必要性は、FerriSSDの専用機能と技術の活用によって満たすことができます：

FerriSSDは、ホストからNAND、そして再びホストへのデータパス全体において、向上したデータ整合性を提供するために、完全なデータエラー検出と復元エンジンを組み込んでいます。FerriSSDのデータ復元アルゴリズムは、SSDデータパス内で発生するハードウェア（例えばASIC）エラー、ファームウェアエラー、SRAM、DRAMまたはNANDで発生するメモリエラーを含む、あらゆるエラーを効果的に検出することが可能です。

データ内にエラーが発生した場合に、FerriSSD のデータ回復アルゴリズムが即座にそれを検出できるのはなぜでしょうか？主な理由は、データが書き込まれると、パリティセットが生成されるためです。このデータバッチを読み取る際に、FerriSSD は再度パリティを計算します。以前のパリティと後のパリティが一致しない場合、ホストにエラーフラグを渡し、適切な回復処理を行います。それと比較して、従来のSSDはエラーフラグなしで故障したデータをホストに渡し、回復処理の必要性をホスト側に通知しないことで問題が悪化することになります。

これら2つの技術は、セルフテストおよびセルフモニタリングの方法です。NANDセルにおける「書き込み」および「読み取り」コマンドの実行は、基本的には電気的な放電および充電のプロセスです。新しいNANDセルが書き込み時に100個の電子を保持すると仮定します。時間が経過するにつれて、繰り返される書き込みおよび消去イベントによりセルが揮発し、セルのキャパシタンスが低下するため、書き込みコマンドで格納される電子の数が100から80、続いて70、さらに60と減少し、やがて重要な閾値を下回ると、コントローラーがデータを正しく読み取ることができなくなり、データの損失や破損が発生します。IntelligentScan機能は、格納されている電荷が閾値以下に低下しているかどうかを確認する役割を果たします。もし電荷が低下している場合には、データビットを読み取り、ECCエンジンを介して再書き込みを行い、DataRefreshがセルを再充電し、NANDセルの電圧を正しいレベルに復元します。

FerriSSDは、Silicon Motion社が特許を取得した高性能LDPCエラーコード修正エンジンとRAID機能を組み合わせ、多くの利点を提供します。まず、製品の信頼性を向上させ、次にプログラム／消去（P/E）サイクル評価を大幅に延長することで、SSDのNANDフラッシュストレージ媒体の寿命を延ばします。さらに、NANDXtendは、データ保管能力を向上させ、高温での動作によって発生するデータエラーを削減するのに役立ちます。

Silicon Motionは、ハッキングのリスクに対抗するためにデータセキュリティの強化に深く取り組んでいます。同社は独自の手法を適用するだけでなく、市場における公的なデータ保護規制（例えば、Full Disk Encryption/ TCG Opal 2.0）を運用基準として従っています。機密データ保護の必要性が高い顧客は、公的なデータ保護規制が簡単にハッキングされる可能性を心配することが多く、個別の補助チップの追加など、自身のセキュリティ保護手段を作成することを好みます。これにより、FerriSSDとの通信や連携のフローを制御し、ストレージデバイスがデータを受け入れ、受信または送信するのを認証しつつ、完全なセキュリティを維持します。

FerriSSDは安全なデジタル署名検証システムをサポートしています。この機能は、Silicon Motionのクライアント機器向けのセキュリティパスフレーズの追加と同様です。ファームウェアが更新されるとき、関係者はFerriSSDのアルゴリズムを使用してパスワード検証プロセスを通じて、ハッカーにはアクセスできない一連の検証コードを生成することができます。ハッカーが最終製品にファームウェアアップデートを強制する悪意のあるプログラムを作成した場合、検証コードを生成することができないため、悪意のある更新試行は失敗します。

COMメーカーは、-40°Cから85°Cの広い動作温度範囲を必要とします。FerriSSD製品が倉庫から出荷される前に、クライアントの指定に従った厳格な温度テストが実施されます（図6参照）。これにより、非常に低いdPPM率が達成され、クライアントの非常に高い信頼性要求に応えています。

まとめると、NANDコストの低下、データの安定性およびデータ保護に対する需要の増加、さらにCOMベンダーが高付加価値製品をCOMボードに統合したいという意欲の高まりにより、BGA SSDは今日のCOM市場で好まれる製品となっています。特に、データ保護およびストレージ信頼性機能を備えたSSD製品において顕著です。

エンドツーエンドのデータパス保護およびユーザーのデータやファームウェアに対するアクティブ/パッシブ保護の導入は、組み込みコンピューティングシステムにおいて大きなメリットを提供します。

Silicon MotionのFerriSSDは、包括的な温度試験の実施とそれによる低いdPPM率を通じて、組み込みコンピューティングモジュールの理想的なストレージコンポーネントとして確立されています。FerriSSDストレージは現在、軍事、輸送、医療、エンターテインメント、ネットワーキング、産業オートメーション、およびその他多くの用途のCOM製品において好まれる選択肢となっています。