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Tecnologie

Memoria Flash

Le memorie Flash: SLC, MLC e iSLC

La memoria Flash è un tipo di memoria non volatile, a stato solido, in cui le informazione vengono salvate in un insieme di transistor Mosfet che mantengono la carica elettrica per lungo tempo. L'architettura ed il metodo di programmazione dei transistor dividono le memorie flash in due tipologie: NOR e NAND. Negli array di memorie NOR ogni cella è collegata sia alla massa che alla bit line, in questo modo minimizzano il tempo di accesso per le letture random, mentre negli array di memorie NAND i transistor sono collegati in serie e sono ottimizzati per l'aggiornamento rapido dei dati. (maggiori approfondimenti)

Ad oggi le flash sono le dirette concorrenti degli hard disk, dato che le prestazioni sono nettamente superiori: maggiore velocità in lettura e scrittura, maggiore affidabilità, altissima resistenza agli shock meccanici e bassissimi consumi. A prestazioni elevate corrispondono però costi molto alti.

I principali fattori che danneggiano una memoria flash infatti sono:

·         continui cicli di scrittura, come l'utilizzo di memoria virtuale (swap), ogni scrittura infatti danneggia e accorcia la durata della memoria. Per questo motivo sarebbe meglio utilizzare questo tipo di memorie per il salvataggio dei dati, piuttosto che come supporto a sistemi operativi o programmi che prevedono una continua interazione con la memoria. Esistono inoltre delle cache intelligenti che limitano l'accesso in scrittura al supporto.

·         la scrittura dei dati sulle stesse celle di memoria, anzichè utilizzare uniformemente tutte le celle disponibili. In questo caso infatti alcune celle si deterioreranno molto più velocemente rispetto alle altre, riducendo così la capacità della memoria fino all'impossibilità del suo utilizzo. Soluzione a questo problema è il cosiddetto "wear leveling" che uniforma l'usura della memoria andando a leggere il tasso di cancellazione di ogni singola cella.

·         la temperatura: alle alte temperature infatti, come la maggiorparte dei componenti elettronici, le prestazioni della memoria diminuiscono drasticamente.

Esistono poi tre tipologie di memorie flash in base alle caratteristiche di Prestazioni, Durata, Affidabilità, Capacità e Costo: SLC, MLC e iSLC.

·         SLC: Single Level Cell. Questa tecnologia associa una cella di memoria ad un unico bit (0/1), garantendo così fino a 400.000 scritture. Si tratta perciò di una tecnologia affidabile, longeva, ma costosa.

·         MLC: Multi Level Cell. In questo caso in un'unica cella di memoria vengo salvati due bit, avendo così a disposizione 4 configurazioni diverse. Le scritture si limitano però a 4.000 anche se è un dispositivo decisamente più economico. Il suo basso costo, unito alle alte capacità raggiungibili, rende questa memoria la più venduta nel mondo consumer.

·         iSLC: un formato proprietario di Innodisk che utilizza la tecnologia MLC salvando però all'interno di ogni cella solo un bit. in questo modo le scritture aumentano fino a circa 30.000 e risulta una soluzione sia economica che piuttosto affidabile.

A titolo di esempio una stessa tipologia di memoria Flash da 4Gb con tecnologia MLC costa la metà di una con tecnologia SLC. Se la capacità aumenta fino a 64Gb, l'MLC costa un quinto della versione SLC e solo la metà dell'iSLC.

Date le sue caratteristiche sarebbe consigliabile acquistare una memoria con una capacità doppia rispetto al necessario, in modo tale da ridurre la possibilità di perdita dei dati.

Inoltre per le memorie della "Innodisk" è presente un tool, l'"iSmart", che monitora i parametri della memoria e ne stima una durata media in base all'utilizzo che se ne sta facendo.

Sempre "Innodisk" ha creato la tecnologia "iCell", che prevede l'aggiunta di un condensatore all'interno della memoria che permette il salvataggio dei dati presenti nel buffer in caso venga meno l'alimentazione: con questo accorgimento si evita così la perdita di dati.

La tecnologia flash è utilizzata su numerosi supporti fisici, rendendosi così disponibile per diverse applicazioni. I principali formati fisici sono:

·         SATA: uno standard ormai diffuso.  sempre "innodisk" propone la tecnologia legata a questa interfaccia denominata "Pin7". Brevemente utilizza il settimo pin per collegare l'alimentazione della periferica in modo da ridurre i cablaggi ed aumentare le performance finali. Ovviamente può essere utilizzata solo con le SBC che gestiscono questo artificio.

·         SSD: Solid State Disk. Può avere due formati differenti, da 2,5" e da 1,8" e rappresenta il perfetto sostituto meccanico degli hard disk presenti sui pc portatili.

·         SATA SLIM: non è nient'altro che un SSD, ma senza package.

·         COMPACT FLASH: memoria che si interfaccia tramite la Parallel-ATA, più comunemente conosciuta col nome di IDE.

·         CFAST: ha lo stesso ingombro della Compact Flash, ma si interfaccia tramite la porta SATA.

·         CF-SATA: questa memoria presenta la meccanica della Compact Flash, ma la logica della porta. SATA. Si tratta di una memoria poco diffusa dato che può funzionare solo con board che supportano tale tecnologia.

·         mSATA: utilizza un connettore mini-PCIexpress, ma anch'esso lavora con il segnale elettrico SATA.

·         EDC: utilizza il connettore classico "IDE".

·         SD: è un formato molto più diffuso nell'ambito consumer dato che la sua interfaccia meccanica non è affidabile al 100%, specialmente in ambienti salini che ossidano i contatti.

·         USB: altro formato diffuso nel mondo consumer, venduto come MLC. Nel mondo industriale invece stanno diffondendosi le penne usb SLC.

Display

Le tipologie di display

Il display è un dispositivo che permette di visualizzare qualsiasi tipo di informazione, grafica o alfanumerica. L'utilizzo di diverse tecnologie crea diversi tipi di display, esistono dunque display LCD e display con tecnologia emissiva (OLED, a LED, VFD); gli LCD a loro volta  sono suddivisi in matrice passiva ed attiva.
Ogni tecnologia ha le sue caratteristiche che possono essere riassunte nell'elenco sottostante.

LCD (Liquid Crystal Display)
Questa tipologia prevede l'utilizzo di due vetri polarizzati tra i quali viene inserito uno strato di cristalli liquidi; applicando un campo elettrico si ottiene la rotazione dei cristalli e quindi l'effetto di bloccare/far passare la luce e creare di conseguenza caratteri, immagini, simboli, ecc.
In base alla modalità di pilotaggio della cella dove è contenuto il cristallo liquido, si hanno due grosse famiglie di display: matrice passiva e matrice attiva. Nella matrice passiva la tensione applicata agisce direttamente sulla cella, mentre in quella attiva si ha una matrice di transistor realizzati direttamente sul vetro che consentono di pilotare in modo più efficiente le celle.
Nei casi in cui il display debba essere visibile in condizioni di scarsa luminosità, si utilizza una retroilluminazione (backlight), solitamente a LED, di tre tipologie:
  • side led "cost effective": vengono posti dei led a lato di un materiale termoplastico diffusore che uniforma l'intensità luminosa lungo tutto il display;
  • side led "high performance": simile al precedente, ma viene inserito un secondo componente plastico per evitare la dispersione luminosa nelle altre direzioni;
  • array/bottom led: molto più luminoso perchè i led sono disposti lungo tutta l'area sottostante il display, consuma però molta più corrente e necessità di uno spessore maggiore; inotre visto il numero elevato di  LED, per questioni di costo, è quasi esclusivamente usata per il colore yellow-green.
Esistono poi altre tipologie di retroilluminazione non a LED, quali lampade CCFL ed elletroluminescenti (EL), che stanno andando in disuso.

Matrice passiva
All'interno della famiglia della matrice passiva ci sono tutta una serie di display monocromatici che sono il risultato della combinazione di diverse tecnologie: possono essere infatti positivi o negativi; trasmissivi, riflessivi o transflettivi; TN, HTN, STN, FSTN, DSTN o VA.
  • positivo: lo sfondo del display è chiaro e i caratteri scuri;
  • negativo: viceversa, lo sfondo è scuro.
  • trasmissivo: la backlight praticamente indispensabile dato che lo sfondo (nel caso di un display positivo) o il carattere (nel caso di uno negativo) è trasparente;
  • riflessivo: non necessita di backlight dato che il display riflette direttamente la luce ambientale che riceve;
  • transflettivo: è una via di mezzo dei precedenti, infatti usa sia la luce ambientale, sia quella prodotta dalla backlight.
  • TN (Twisted Nematic): è la tecnologia economicamente più conveniente, ha il più alto valore di contrasto, ma ha un angolo di visione ridotto ed è utilizzabile solo per bassi livelli di multiplexing (Duty); una piccola variante è l'HTN, con il quali si arriva fino ad 1/8 Duty;
  • STN (Super Twisted Nematic): mediante una rotazione maggiore del cristallo, l'angolo di visione è maggiore, si riduce il contrasto massimo, ma può essere utilizzato con multiplexing più alti;
  • FSTN (Film Super Twisted Nematic): simile al precedente, ma mediante l'aggiunta di un film di compensazione, si ottiene l'effetto bianco-nero;
  • DSTN (Double Super Twisted Nematic): mediante l'utilizzo di una ulteriore cella di compensazione si ottiene un elevato contrasto e si estende il range di temperatura operativa;
  • VA (Vertical Alignement): mediante la rotazione in senso verticale del cristallo si ottiene elevatissimi valori di contrasto e angolo di visione, estetica veramente bianco-nero ma è utilizzabile solo per bassi livelli di multiplexing;

Matrice Attiva
Normalmente realizzati nella versione fullcolor trasmissiva negativa RGB con retroilluminazione bianca, i TFT necessitano quindi di 3 filtri colore: per ogni pixel è perciò presente un transistor per ogni colore.
L'angolo di visuale ed il contrasto sono molto più alti rispetto ad un display a matrice passiva, ma anche il costo è di gran lunga più elevato.

Tecnologie Emissive
I più famosi e recenti sono gli OLED, a loro volta suddivisi in matrice passiva ed attiva, nei quali l'emissione luminosa è dovuta ad un materiale organico depositato su ogni singolo pixel. Il loro punto di forza è senz'altro l'elevatissimo contrasto è l'angolo di visione praticamente ugual ea 180°.
Vi sono poi i VFD, che hanno una camera sottovuoto in vetro nella quale su ogni singolo pixel è depositato un materiale fluorescente ed i LED Display, dove i singoli pixel sono realizzati con dei LED.

PCB

PCB: dallo schema elettrico al circuito stampato

Il PCB (Printed Circuit Board), chiamato anche comunemente circuito stampato, è un componente elettrico utilizzato per realizzare un collegamento tra le varie parti elettroniche che vengono poi montate su di esso: si tratta quindi di un circuito elettrico costituito da piste di Rame incapsulate in uno strato protettivo di materiale isolante. Questo strato, chiamato substrato, può essere rigido, flessibile o avere parti di entrambe le categorie (rigido-flessisible).

In relazione al numero di strati conduttivi da realizzare, il processo produttivo diventa tecnologicamente più complesso e costoso. Si possono avere circuti monofaccia (o monorame), che sono i più semplici ed hanno un solo circuito elettrico; doppiafaccia o due strati, in cui ci sono due circuiti elettrici in comunicazione tra loro; multistrato, fino ad oltre 30 livelli, in cui ogni strato è un circuito elettrico.

 

Struttura

Viene qui descritta la struttura caratteristica di un PCB a due strati, dato che risulta essere la struttura base nella costruzione di qualsiasi stampato (ad eccezione dei monofaccia praticamente in disuso). Questa struttura viene infatti replicata nel caso di PCB a più strati, essendo questi comunque multipli del doppiafaccia.

Si parte con un substrato, una tavola di materiale isolante e di spessore costante,che può essere costruita con diversi materiali, in base al grado di rigidità dieletterica e resistenza alle alte temperature che si vuole ottenere. Il materiale più diffuso è la vetroresina denominata FR4, la cui caratteristica principale è la temperatura di transizione dallo stato solido a quello liquido/viscoso (espressa nella sigla TGxxx) oltre la quale avvengono trasformazioni fisiche nel materiale che rischiano di danneggiare il circuito. Viene utilizzato anche l'alluminio nel caso si voglia dissipare maggiore calore, in questo caso tra di esso e il rame viene depositato un materiale elettricamente isolante, ma termicamente conduttore.

Su entrambe le facce della soletta viene incollato, con un composto chimico di vetroresina, per mezzo di termocompressione, uno strato di rame che viene forato in prossimità dei collegamenti con l'altro lato (fori di "vias"); in caso di più livelli ci possono essere anche fori ciechi, che mettono in collegamento soltanto gli strati interni.

Prima di unire le lastre alla soletta, avviene l'asportazione selettiva del rame in eccesso tramite un procedimento chimico denominato "etching"; successivamente avviene la metallizzazione dei fori effettuati in precedenza per garantire il collegamento elettrico, oltre che fisico, dei due strati di rame.

Su tutte le parti di circuito che non devono essere a contatto, neppure casuale, con l'esterno, viene poi posta una vernice isolante, detta "solder resist" o anche solo "solder"; si passa così alla stampa serigrafica di tutte le informazioni ausiliarie, come ad esempio il nome dei componenti, il datacode, il logo del produttore; si procede infine alla deposizione di una finitura superficiale che ha lo scopo di proteggere dalla corrosione il rame delle piazzole e facilitarne la saldatura.

 

Montaggio Componenti

I componenti possono essere montati sul circuito stampato mediante due tecniche differenti:

PTH (Pin Through Hole): i componenti hanno terminali metallici che attraversano il PCB e vengono saldati, manualmente oppure "ad onda" con lega saldante fusa, alle piazzole dal lato opposto del componente.

SMT (Surface Mountig Technology): prevede il montaggio dei componenti direttamente sulla superficie, sullo stesso lato del componente, riducendo il numero di fori sul circuito. Con questo metodo si riducono anche le dimensioni ed i costi di assemblaggio grazie all'automatismo del montaggio dei componenti stessi. La tecnica di saldatura con pasta saldante risulta anche più controllabile e le dimensioni ridotte dei componenti permettono una riduzione della grandezza degli stampati.

 

Progettazione

Si parte dalla realizzazione dello schema elettrico dove vengono definiti tutti i componenti e relative interconnessioni. Si procede quindi alla realizzazione del layout vero e proprio del circuito, denominato sbroglio, tramite programmi CAD. In questa fase si sceglie la posizione dei componenti e i percorsi delle piste, cercando di limitare gli incroci. Si definisce anche la larghezza delle piste (in base alla corrente che ci passerà ed al calore generato ammissibile), l'isolamento e la dimensione dei fori.

Il disegno finale ottenuto è detto "master" e viene salvato in un file denominato "gerber". Ogni singolo layer viene trasferito sulla piastra di rame tramite un procedimento fotografico e la parte eccedente viene asportata tramite attacco chimico; i vari strati vengono quindi uniti e forati; infine segue la metallizzazione dei fori di comunicazione e la rifinitura.

Esiste anche una certificazione internazionale chiamata UL che garantisce le caratteristiche di resistenza all'infiammabilità dei materiali utilizzati ed attribuisce un codice per ogni produttore approvato.

 

Partendo dai file gerber, MCTronic è in grado di fornirvi il circuito stamapato adatto alle vostre necessità.


 
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