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産業用SDホスト機器
設計者のための01

はじめにSDカードが市場に登場したのは、約20年前に遡る。1999年、当時のサンディスク（現 ウエスタンデジタル）と東芝（現 キオクシア）、松下電器産業（現 パナソニック）の3社により規格化、
2 0 0 0 年に製 品 化された。以 降 、m i n i S D（ 現 在では生 産中止 ）、m i c r o S Dといった小 型 形 状の商 品も登 場 。現 在では 、デジタルカメラやスマートフォンのデ ータ記 録 用 途に加え、様々な電 子 機 器の記 憶 媒 体として年 間 1 0 数 億 枚が 市 場に流 通している。当初は民 生 機 器 向けが 主な用途だったS Dカードだが 、現 在では産 業用機 器 、車 載用機 器 、業 務用機 器などの各 種ホス
ト機 器（ 以 下 、産 業用機 器 ）での活用が増えており、中には機 器内部にS Dカードが組み込まれているケースも多い。産 業用 機 器の記 録 媒 体としてS Dカードが 普 及した理 由の一つは、「SDアソシエーション」という規 格 団 体が 企 業 横 断 的なS D 規 格を策 定し管 理することで、規 格の世代が代わっても互換性が確保されている点にある。
一 方 、産 業 用 途ならではの課 題もある。使 用 頻 度の比 較 的 少ない、あるいは使 用 期 間 が 短い
民 生 機 器用途とは異なり、産 業用機 器に搭 載されるS Dカードは、より多 様な用途や環 境 下で長 期 間 使用されるという特 性がある。よって、民 生用機 器では問 題なく使えているS Dカードであっても、産 業用機 器で使用した際には問 題が 発 生する場 合があり得る。万 一 、デ ータの書き込み・読み出しエラーが発 生すると、ホスト機 器の信 頼 性に直 結しかねないため、「ホスト機 器とS Dカードの相 性 」「 相 性に起 因する不 具 合 」「 S Dカードの寿 命 」などについての悩みを持つ
機 器 設 計 担当者は多いのではないだろうか。本 稿では、産 業用S Dホスト機 器の設 計 時に知っておきたいよくあるトラブル例とその回避 策 、産 業用途に適したS Dカードの選び方などのポイントを解説する。

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for Industrial Use

SD Memory CardC O N T E N T S

01.はじめに
02.ホスト機器のタイプ別の傾向
24時間/365日、連続録画が必要な機器
細切れ記録が必要な機器
ネットワークに接続される機器
連続読み出しの機会が多い機器

03. S Dカードの仕組み
書き換え耐性について
SDカードの「寿命」についてファイルシステムについて
ホスト機器からのアクセスパターンについて

04. S Dカードの選び方とは？
05. 最後に2

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ホスト機 器 のタイプ 別 の 傾 向
ホスト機 器のタイプによってデータの書き込み・読み出しパターンは異なるため、以下の例に見られるように、よくあるトラブルは機 器によって傾 向が異なる。

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24時間/365日、連続録画が必要な機器（例：監視カメラ、ドライブレコーダー等）
監視カメラは、人間の代わりに24時間365日休みなく映像（あるいは静止画像）を記録し続ける。
ドライブレコーダーは、車両のエンジンが動いている間は休みなく映像を記録し続ける。事件や事故が起こらなければ、SDカードのメモリ容量が一杯になった時点で古いデータから消去され、新しいデータが記録されていく。
この記録映像を確認する必要が出てくるのは万一の事件や事故が起こった時であるが、その際、肝心のデータが読み出せない、というトラブルが発生することがある。
これらの機器が本来の役目を果たせるのは、データが正しく記録できていてこそである。
ホスト機器の設計時に、予めSDカードのメモリ寿命を想定した製品設計、あるいはSDカードの交換周期を考慮した商品企画を実施することで、データの記録トラブル発生リスクは回避できる可能性が高い。

365 日

24 時間

2細切れ記録が必要な機器（例：計測機器、工業用機械、産業用IoT機器）
計測機器や工業用機械では、動作ログ等のデータを記録・読み出す用途に使用される。
近年、SDカードは数ギガバイトから256ギガバイトといった大容量化が進んでいるが、計測機器等では数百バイト～数十キロバイトほどの小さなデータサイズを小刻みに記録することが多い。大容量のSDカードは、大容量データを高速で読み書きする想定のもと設計されている場合が多いため、一度に読み書きするデータの処理単位は大きくなる。
そのような大容量のSDカードに小さなサイズのデータを記録すると、実際よりも大きなサイズで書込まれ、予想以上に早くSDカードの寿命に到達することがある点に留意したい。民生機器とは異なり、産業機器のライフサイクルは２、３年以上の長期間に渡る場合が一般的なため、ライフサイクルに合わせたSDカードの選択、あるいは交換周期の設定が不可欠になる。

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ホスト機 器 のタイプ 別 の 傾 向

ネットワークに接続される機器（例：POS端末、入退室認証機器等）
商業店舗にあるPOS端末をはじめ、最近は様々な産業用機器がIoT化されている。
こうした機器は、自身が通信回線を通じてクラウド上あるいは離れた場所にあるサーバー上にデータを送出している。通信回線を通じてデータを送出する場合、有線・無線にかかわらず通信料というコストが発生しうる。
また、データを一度に送ると通信障害が発生したり、回線使用料が割高になることがある。
そのため、通信コスト抑制対策として機器の端末側（エッジ）のSDカードにいったんデータを記録しておき、必要な際だけに通信回線を通じて送出するといった活用がされている。
こうした用途においては、事前にSDカードの寿命を見極めておかなければ、万一エラーが起きた時にシステム自体がストップしてしまうリスクがあることに留意したい。

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連続読み出しの機会が多い機器（例：カーナビゲーション、音声自動応答機器等）
SDカードにデータを書き込む頻度は少ないものの、常時データの読み出しや頻繁なデータ容量の残量確認が必要となるタイプの機器が存在する。データの読み出しが多いということは、メモリ上に少なからず電気的な負荷を掛けることを意味する。
また、カーナビゲーションのような車載機器は、人命を預ける自動車に搭載されるため非常に低い不良率を要求されるうえ、市場価格が数百万円前後に及ぶ高額な「商品」の一部であることなどを考慮すると、採用するSDカードには高い信頼性が不可欠となる。

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S D カ ードの 仕 組 み次に、ホスト機器の設計時に知っておくと役 立つ、SDカードの特性や留意事項について解説する。

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書き換え耐性について
SDカードの記憶素子は「NANDフラッシュ」という半導体デバイスである。電気的にデータの記録・読み出しが行われるが、その書き換え耐性（書き換え可能回数）は、以下のように書き換えモードの種類によって異なる。半導体メモリにはハードディスクドライブのような機構的な駆動や摩耗はないが、電気的な処理を行うデバイスだからといえど無限に使えるわけではない点に注意いただきたい。

SLC

MLC

TLC

Single-level Cell
1bit書き込み

Multi-level Cell
2bit書き込み

Triple-level Cell
3bit書き込み数万回の書き換え耐性

数千回の書き換え耐性

数百回の書き換え耐性
最新の世代ではMLC同等の数千回Vth（しきい値）の分布VthVth

Vth０００0V

０１0V

１

データ 1bit/cell
1つのセルが1Pageの情報を保持

多い

１０0V

１１

データ 2bit/cell
1つのセルが2Pageの情報を保持

書き換え可能回数

データ 3bit/cell
1つのセルが3Pageの情報を保持少ない

なお、上記「SLC」「MLC」「TLC」の区分や、書き換え回数といった表記方法はSD規格では定義されておらず、メーカー各社それぞれの定義による表記がされている。SDカードの採用を検討する際は、メーカーへ問い合わせる等の情報収集を行った方が安心である。
また、NANDメーカーあるいはNANDフラッシュの世代によっても、書き換え回数には差異が出ることがある。
さらに、繰り返し記録する用途の場合、カード容量が一杯になれば別のカードに取り換える使い方をとる場合はさほど気にする必要はないが、古いデータを消去したうえで同じカードに再度書き込む、という使い方をする場合は、高い書き換え耐性を持つSDカードの利用が望ましい。ホスト機器のデータ書き込み手法や、耐用期間にマッチした書き換え耐性のSDカードを選ぶことがポイントである。

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S D カ ードの 仕 組 み

SDカードの「寿命」について
前述のように、SDカードには「SLC」「MLC」「TLC」といった種類別に異なる「書き換え耐性」がある。
それと混同されがちなのが、「SDカードの寿命」
である。
ここでいう
「寿命」とは、それぞれのホスト機器での使用条件において「SDカードが正常動作する見込み期間」を指し、「SDカードの書き換え耐性」とは別の意味合いとなることに注意したい。例えば、
セキュリティ
カメラがSDカードに映像を連続記録する場合で比較すると、高解像度（＝データ量・大）記録ではSDカードの寿命は短くなり、低解像度（＝データ量・小）記録ではSDカードの寿命は長くなる。
なお、SDカードの記憶素子であるNANDフラッシュには、書き込まれる領域の大きさ（＝「ページサイズ」と呼ばれる）が決められているが、そのサイズに合わせてデータを書き込むことで、SDカードをより長持ちさせることができる。
ただし、たとえページサイズ未満の小さなデータ量で書き込んでも、“ページサイズ分のデータを書き込んだ”と認識されてしまった場合は想定以上に劣化が進み、寿命が短くなる場合がある。ページサイズはSDカードごとに決められているため、精度の高い寿命見積を取得する場合はメーカーへの問い合わせが必要となる。
なお、メーカーによっては、SDカードの品番が同じであってもNANDフラッシュの仕様が複数存在する場合があるため、この点も含めて確認することをお勧めしたい。

書込データ量の累計
SDカード
書き換え耐性
高解像度
低解像度

寿命

寿命

時間

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S D カ ードの 仕 組 み

3 ファイルシステムについて
SDカードの規格では、「FATファイルシステム」に準拠した書き込みと読み出しを行うことが決められている。
それに準拠して設計されたホスト機器からSDカードに記録されたデータを別のホスト機器で読み出す場合は、そのホスト機器もFATファイルシステムに準拠した設計でなければならない。
ホスト機器のOSには、WindowsやLinux、Androidがあるが、それぞれのOSでは、FATファイルシステムだけでなく、「ext4」といったファイルシステムに準拠したデータも読み書きすることができる。後者のシステムを使う場合、同一機器内での読み書きであればFATファイルシステムを使用しなくても問題ないが、FATファイルシステムに準拠したホスト機器
では、その同じデータを読み出しできない場合がある。
カードを読み出そうとすると、「フォーマットしてください」と表示されるが、これは、「FATファイルシステムで読み書きができるように、フォーマットをやり直してください」という意味である。
ここでフォーマットしてしまうと、ext4ファイルシステムで書き込みされたデータは消失してしまうため十分注意したい。
SD規格準拠

FAT

SD規格非準拠

FAT以外のファイルシステムトラブルの有無を検証

ファイルシステム使用なし

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ホスト機器からのアクセスパターンについてホスト機器で「FATファイルシステム」
を使用していても、SDカードに対して特殊なアクセスを行うことで、エラーが発生する場合がある。特殊なアクセスの仕様自体が明らかでないことには、A社のSDカードでは問題なくても、B社のカードではトラブルが発生するといったばらつきが生じる。
また、同じA社のカードであっても、現行世代のものはOKでも、次世代の商品ではNGになる場合もある。いずれの場合も、SD規格上は合致していてもそれ以外の仕様で合致しない点があると、通常の製品評価試験では問題を発見できない可能性があることに注意したい。

ホスト機器

特殊なアクセス性能が低下する
ファイルが消える● 寿命が短くなる●

FAT
なのに・・・

7●

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S D カ ードの 選 び 方とは？

これまで解説してきたような状況を踏まえると、SDカードの選定時は、ホスト機器それぞれのニーズに応じて、「データを記録したい期間」、「メモリの寿命を想定した交換周期」、「データの書き込みや読み出しの速度」、「温度条件・使用環境」等々を考慮することが必須だと言える。
これらを吟味せず安易に選んでしまうと、ホスト機器とSDカードのミスマッチが起こりえる。交換周期が長期間に及ぶ機器の場合は特に、SDカードの寿命の見積を事前に行うことで万一の市場不具合を低減でき、エンドユーザーや販売店に安心して使っていただけることにつながる。

データを記録したい期間とは？

メモリの寿命を想定した交換周期とは？

データの書き込み/読み出し速度とは？

温度条件・使用環境とは？

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最後に半 導 体 技 術の進 化によって高 集 積 化・大 容 量 化が進むN A N Dフラッシュメモリは、電 子
機 器を通じて暮らしを豊かにする役 割を担う一 方 、機 器の企 画・設 計 者の方々にとってはメモリの選択や設計の難易度が高まっているという側面もある。

しかしながら、開 発スピードが 要 求される環 境 において、ホスト機 器 に最 適 なメモリを選 択することによって、設 計・評 価にかかる工 数や商 品出荷 後の不 具 合を最小化できる効果は見逃せない。本稿が適切なSDカードを選定する際の一助となれば幸いである。

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※参考：
パナソニックは業務用・産業用機器専用のSDカードを提供しており、世界中の機器メーカーやユーザーの方々に採用いただいている。
SDカードの採用を検討中の産業用機器設計者・関連事業者の方々へのサポート対応も実施しており、各種ご要望や使用環境等を伺ったうえで機器の種類や用途に応じた最適なSDカード品番のアドバイスや寿命見積を提供しているため、お気軽にご相談いただけると幸いである。

産 業用途向けSD製品情報

https://panasonic.net/cns/sdcard/wp_a/info1.html

機 器別の推奨品番

https://panasonic.net/cns/sdcard/wp_a/info2.html

技 術的なご相談、製品寿命見 積 、カスタマイズ等のご相 談

panasonic_sd@gg.jp.panasonic.com

産 業用SDホスト機器設計者のための SDカード入 門ガイド
発 行：2020年 1月

パナソニック株式会社
コネクティッドソリューションズ社 ストレージ事業開発センター〒571-8504 大阪府門真市松生町1番15号

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