USB-накопители корпоративного и индустриального класса. Отличия от потребительского сегмента

USB-флеш-накопители – уже привычное для нас устройство переноса и хранения информации. Несмотря на то, что большинство из нас переходит на облачные хранилища, флешек всё равно продаётся и покупается очень много. Они используются в решении бытовых задач, в работе офисов и индустриальной сфере. При этом специфические требования корпоративного и индустриального применения часто игнорируются. Выбор устройств, содержащих важную для пользователей и бизнеса информацию, необходимо осуществлять с полной ответственностью, поэтому в этой статье мы рассмотрим критерии надёжного хранения информации и разберём способы соответствия им.

Требования, предъявляемые к накопителям

Области применения флеш-накопителей определяются функциями, которые они выполняют в составе вычислительных устройств. В каждой из областей они могут быть использованы в нижеперечисленных целях:

• потребительские (бытовые) – предусматривают использование флеш-накопителей в личных целях;

• корпоративные – предусматривают использование флеш-накопителей в ходе реализации бизнес-процессов компании, направленных на получение прибыли;

• индустриальные – предусматривают использование флеш-накопителей совместно, либо в составе специализированного (технологического, медицинского, измерительного, транспортного и т.д.) оборудования и вычислительной техники промышленного назначения.

Большинство накопителей, вне зависимости от класса, имеют такие важные функции, как преобразование логических секторов в физические (FTL), выравнивание износа блоков, коррекция ошибок, поиск и замена неисправных блоков. Однако для основной части пользователей при выборе бытовых USB-накопителей важными параметрами являются:

• объем памяти;

• стоимость;

• внешний вид устройства.

К накопителям корпоративного и индустриального класса предъявляются более жесткие требования к аппаратной части и программному обеспечению, что позволяет обеспечить целостность данных и неизменность ёмкости.

Корпоративные устройства должны обладать следующим функционалом в течение всего срока службы:

• количество циклов перезаписи не менее 10 тыс. и длительность хранения данных;

• защита от внезапного отключения питания.

Для индустриального применения дополнительным функционалом при выборе накопителя являются:

• повышенный температурный диапазон от – 40 до 85 °С;

• количество циклов перезаписи: 10 тыс. и более;

• стойкость к механическим и вибрационным факторам.

Существуют отдельные области применения, где будут необходимы дополнительные требования:

• доверенность;

• быстрое стирание данных;

• контроль температуры;

• защита встроенного ПО от модификаций;

• подсистема защиты от записи.

Для переноса аудио- и видеоформатов и текстовых документов бытовых флеш-накопителей будет достаточно, однако для более ответственного применения их использование не рекомендуется, так как данные накопители недолговечны и зачастую создаются на основе дешевого и менее надежного чипсета контроллера и флеш-памяти. Производители не заявляют характеристики по надежности своих решений. Низкая стоимость привлекательна, но со временем могут возникнуть проблемы надежности и потеря важной информации, что неприемлемо для бизнес-процессов компаний.

Структура USB-флеш-накопителя

USB-флеш-накопители состоят из двух основных микросхем, обеспечивающих надежность и сохранность информации, — контроллер и память типа NAND (рисунок 1).

NAND-память

Подсистема NAND флеш-памяти выполняет функцию долговременного хранения информации, получения/передачи информации по интерфейсу ONFI. В большинстве потребительских USB-накопителей установлены микросхемы памяти типа QLC, TLC и MLС, различающихся количеством записанных бит на ячейку памяти (рисунок 2). Однако необходимо брать во внимание то, что некоторые производители называют свою память MLC, лишь добавляя количество бит на ячейку. Часто это вводит покупателей в заблуждение. Например, компания дает название памяти 3-bit MLC, хотя по факту это TLC.

Доступ в данных типах памяти происходит гораздо медленнее, и в процессе работы ячейки изнашиваются быстрее, по сравнению с типом SLC. Поскольку в промышленных системах требуется обеспечить долговременное хранение данных, наиболее предпочтительным решением является именно SLC NAND. Несмотря на высокую стоимость, данный тип памяти позволяет увеличить срок службы накопителя с количеством циклов перезаписи ячеек до 100 тыс.

Большое влияние на срок хранения данных оказывает деградация оксидного слоя в NAND-памяти: расчетный срок службы в обесточенном режиме SLC- и MLC-ячеек, как правило, составляет 10 лет, но при достижении значений циклов перезаписи, приближающихся к 100 тыс., он сокращается до одного года. У MLC-ячеек данный эффект возникает после 10 тыс. циклов программирования/стирания. Зарядовое состояние и пороговое напряжение – ключевые преимущества SLC-ячеек, благодаря которым они применяются в индустриальных решениях взамен менее дорогостоящих NAND-кристаллов MLC и TLC.

Более экономически эффективной альтернативой для корпоративного и индустриального применения является память, функционирующая в режиме pSLC (pseudo Single Level Cell). Память работает аналогично типу SLC, программируя только один бит в каждой ячейке памяти. В данном виде памяти общий объем жертвуется в пользу увеличения количества циклов перезаписи до 40 тыс., и в то же время срок службы носителей данных увеличивается в 4-5 раз. В режиме pSLC в флеш-памяти MLC и TLC NAND может быть сконфигурирован для поддержки приложений с интенсивной записью или приложений, которым требуется дополнительный прирост производительности записи. К таким приложениям относятся приборные камеры видеонаблюдения, сетевые брандмауэры безопасности и RAID-карты.

Второй аспект, касающийся надежности NAND-памяти USB-накопителей, связан с комплектацией некачественных, поддельных или устаревших микросхем.

Существуют несколько типов производителей микросхем памяти:

1. Оригинальные микросхемы производства компаний Micron, Samsung, Kioxia и др. Они прошли все необходимые испытания, качественно корпусированы и маркированы лазером на заводе-изготовителе. Чипы используются в собственных разработках компаний или продаются другим производителям для использования в их фирменных накопителях, таким как WesternDigital, SanDisk и т.д. Жёсткая отбраковка NAND обусловлена репутацией производителей, поэтому данный тип — самая дорогая категория фирменных комплектующих гарантированного качества. Однако производители бюджетных накопителей все чаще используют устаревшую память указанных производителей, поэтому крайне важно знать, какой чип памяти уставлен в том или ином устройстве.

2. Производители, закупающие кристаллы у сторонних поставщиков. Поскольку корпусирование флеш-памяти гораздо дешевле и проще, чем производство микросхем NAND, многие компании закупают пластины у производителей, тестируют их, корпусируют и маркируют под своим именем. На рынке присутствует большое количество фирм, которые занимаются таким корпусированием микросхем под своим брендом: ADATA, Phison, Kingston, Longsys и многие другие.

   Но зачем компаниям самим заниматься корпусировкой, если есть возможность купить готовые микросхемы у производителей первого эшелона? Причина в стоимости, ведь этим компаниям нужно выпускать устройства по конкурентной цене. Производители первого эшелона сами изготавливают твердотельные накопители, и стоимость микросхем для них самая низкая, поскольку нет вторичной наценки. Но для сторонних производителей, которые покупают готовые NAND у производителей первого эшелона и затем делают из них устройства, стоимость будет неизбежно выше.

3. Производители накопителей информации, в которых содержатся демонтированные микросхемы. В наше время данный тип производителей встречается крайне редко, но они были обычным явлением в предыдущие годы, когда флеш-память NAND была в дефиците.

   Источником такого типа флеш-памяти может быть сломанный USB- и SSD-накопитель или память из смартфона, например, UFS или EMMC. Срок службы демонтированных чипов быстро стремится к нулю, так как в работе контроллера возникают ошибки при чтении, и он не может сбалансировать износ каждой ячейки для записи. В конечном итоге это приводит к тому, что накопитель умирает прямо во время использования. И поскольку после того, как все разобранные чипы оказываются в одной корзине, нет никакой гарантии, что разные микросхемы не требуют совершенно различных рабочих напряжений, что приводит к низкой производительности устройства.

4. Производство на малоизвестных заводах, в том числе из дефектной памяти. Это компоненты, которые не прошли заводской тест, но могут использоваться за счёт снижения производительности или экранирования плохих блоков. Большинство из них имеют по факту меньший объём и в целом не способствуют надёжности и долговечности накопителя.

5. Использование микросхем самого низкого качества. Здесь для производства используется даже не дефектная память, а партии некачественных микросхем, которые не прошли тестирование на заводе-производителе. То есть заведомо некачественные комплектующие. Отдельные микросхемы в партии по счастливой случайности могут кое-как работать, но процент брака здесь зашкаливает. Бракованные микросхемы вообще не должны попадать на рынок. По регламенту производитель должен их утилизировать. Но всё-таки по различным каналам они попадают на подпольные фабрики, где их очень грубо корпусируют даже без маркировки.

Контроллер

Контроллер – это «мозг» USB-накопителя, который позволяет достичь высокого качества работы и увеличить срок службы памяти. Он обеспечивает взаимодействие с вычислительной системой, поддержку функции записи/чтения данных с заданной скоростью и контролирует состояние ячеек. Встроенное программное обеспечение (ВПО) контроллера реализует алгоритмы трансляции логических адресов накопителя в физические адреса флеш-памяти, отвечает за сохранность данных, неизменность ёмкости, контроль целостности данных и исправление битовых ошибок, возникающих в структуре NAND-памяти (рисунок 3). Помимо того, микросхема занимается очисткой памяти от мусора, выравниванием износа, контролем и заменой неисправных блоков.

Дополнительные механизмы защиты данных внутри контроллера, встроенный сторожевой таймер и поддержка режимов повышенной надёжности NAND-памяти обеспечивают построение накопителей для ответственного применения.

Дополнительный функционал доверенных накопителей

Подсистема защиты от записи

Не все компьютеры надежно защищены от вредоносных программ, поэтому вирусный контент способен проникнуть на USB-накопитель. Вирус – очень распространённая проблема, и она особенно опасна для индустриального класса. При подключении заражённого USB-накопителя к рабочему компьютеру под угрозой может оказаться вся корпоративная сеть, поскольку определённые типы вредоносных программ могут распространяться по всей системе компании. Поэтому накопители такого уровня необходимо конфигурировать с подсистемой защиты от записи. Небольшой переключатель блокировки, размещающийся на корпусе накопителя, позволяет предотвратить попадание на накопитель компьютерных вирусов, вредоносных и шпионских программ.

Встроенный датчик для защиты от перегрева

Другим важным решением для промышленных и ответственных применений, где аппаратура подвержена экстремальному нагреву и большим нагрузкам на производительность, служит встроенный в контроллер датчик контроля температуры. Он обеспечивает состояние, при котором USB-накопитель остаётся в пределах допустимых рабочих температур и позволяет снизить её при распределении рабочей нагрузки, что предотвращает перегрев модулей и значительно повышает производительность и стабильность системы.

Разбор бюджетных потребительских USB-накопителей

Для оценки и анализа потребительских USB-накопителей нами был приобретен ряд бюджетных устройств, которые можно найти в обычном розничном магазине. Проведя разбор и диагностику через популярные утилиты, мы посмотрели из каких компонентов сделаны флешки потребительского класса.

Одними из самых популярных контроллеров, установленных в бюджетных пользовательских накопителях, являются контролеры Phison PS2251-70 и Silicon Motion SM3880. Это довольно распространённые и экономичные решения, однако при длительной работе они нагреваются. Обычно такие контроллеры производители используют вместе с дешёвыми чипами памяти, поэтому подобные флешки имеют низкую скорость записи. Именно на основе этих контроллеров создается большое количество пользовательских USB-накопителей, купленных в обычном магазине.

Многие производители бюджетных накопителей все чаще используют устаревшую NAND-память. Например, производитель памяти Kioxia уже несколько лет не выпускает микросхемы памяти объёмом меньше 64ГБ, хотя в бюджетных накопителях установлена память ёмкостью 4,8 и 16 ГБ. Либо производители накопителей для такой малой ёмкости используют давно устаревшую память, завалявшуюся где-то на складах, либо дефектные микросхемы, где сам кристалл производился как 64 ГБ, но из-за дефектов его фактическая ёмкость, например, 20 ГБ. Поэтому крайне важно знать, какой чип памяти уставлен в том или ином устройстве для применения в промышленном сегменте.

Флеш-накопители НПП «Цифровые решения»

Конфиденциальность, целостность и подлинность информации имеют первостепенное значение для корпоративного и индустриального класса, поэтому выбор устройств, содержащих важную для пользователей и бизнеса информацию, необходимо осуществлять с полной ответственностью и принимать во внимание нюансы, описанные в статье.

Учитывая все требования корпоративного, индустриального и специального сегмента, НПП «Цифровые решения» создало собственный доверенный USB 3.0 флеш-накопитель на основе контроллера К1947ВК015 и встроенного ПО, разработанного специалистами компании (рисунок 4). Прозрачность тракта передачи данных, а также самостоятельная разработка и реализация алгоритмов обработки гарантируют доверенность, а наличие однократно программируемой памяти и защита встроенного ПО от модификации предоставляют дополнительные возможности реализации функций информационной безопасности.

Помимо аппаратных блоков интерфейсов USB, ONFI и Toggle, контроллер включает в себя блоки коррекции ошибок NAND-памяти и блоки сквозного контроля целостности данных. Разработанный функционал накопителя поддерживает режим работы памяти pSLC, обеспечивает защиту данных при внезапном отключении питания, поиск и замену неисправных блоков, выравнивание износа блоков и сборку мусора. Интерфейс USB 3.0 (с поддержкой USB 2.0, USB 1.1) обеспечивает совместимость флеш-накопителя повышенной надёжности с операционными системами Windows, Linux, Android и MAC OS.

Также в контроллере заложены дополнительные механизмы защиты данных, обеспечивающие построение накопителей для индустриального и ответственного применений:

• контроль температуры;

• защита встроенного ПО от модификаций;

• поддержка подсистемы защиты от записи;

• встроенный сторожевой таймер.

НПП «Цифровые решения» готово предоставить российским компаниям демонстрационные образцы накопителей для тестирования, а также оказать содействие в разработке собственных решений на основе контроллера К1947ВК015.