כל מה שמתכננים צריכים לדעת על מחברי כרטיסי זיכרון

כרטיסי זיכרון מצב-מוצק משמשים כפתרונות אחסון מודולריים ולא-נדיפים במגוון רחב של מערכות אלקטרוניות - ומאפשרים פונקציונליות מורחבת, מערכי מאפיינים ונוחות משתמש. כדי לחבר כרטיסי זיכרון אלה להתקני מארח, נדרשים מחברים תואמים כדי לספק צימוד מכני וחשמלי אמין. מחברים אלה חייבים לשמור על ביצועים עקביים תחת אילוצי התקנים יותר ויותר קומפקטיים, שבהם חתימת-שטח פיזית ותקינות אותות הם גורמי תכן קריטיים. לפני בחינת מחברי כרטיסי זיכרון, חשוב תחילה לבסס הבנה יסודית של ארכיטקטורות כרטיסי זיכרון ותפקידם באלקטרוניקה משובצת ובאלקטרוניקה לצרכנים.

סקירת כרטיסי זיכרון

כרטיסי זיכרון הם התקני אחסון מצב-מוצק קומפקטיים המכילים נתונים דיגיטליים כגון תמונות, סרטונים, מוסיקה ומסמכים. הם מסתמכים על זיכרון Flash‏ - שפותח בשנות ה-80 - המשתמש בטרנזיסטורים של שער צף כדי לשמור נתונים ללא הספקת-כוח. ללא חלקים נעים, זיכרון Flash‏ מציע גישה מהירה, עמידות גבוהה ויכולת חשמלית למחיקה וכתיבה-מחדש.

עם הזמן, כרטיסי זיכרון התפתחו באופן משמעותי, עם מגמות המתמקדות בהקטנת הגודל והרחבת הקיבולת. הפורמטים הנפוצים ביותר כיום כוללים:

• כרטיסי SIM‏ (Subscriber Identity Module‏): כרטיסי SIM מאחסנים פרטי משתמש ונתוני רשת סלולרית, ומאפשרים פונקציות כמו שיחות קוליות, SMS ואינטרנט סלולרי. כל SIM מכיל IMSI‏ (International Mobile Subscriber Identity‏) המשמש לאימות עם רשתות סלולריות. כרטיסי SIM הצטמקו מהפורמט המיושן בגודל-מלא (גודל כרטיס אשראי) ל-mini-SIM‏ (25 x‏ 15 מ"מ), micro-SIM‏ (15 x‏ 12 מ"מ) ו-nano-SIM‏ (12.3 ×‏ 8.8 מ"מ). בהתקנים ניידים, nano-SIM‏ שולט בשל נצילות המקום. חשוב גם לציין כי mini-SIM‏ נקרא כיום לרוב SIM או SIM סטנדרטי.
• כרטיסי SD‏ (Secure Digital‏): כרטיסי SD נמצאים בשימוש נרחב הן עבור אחסון והן עבור העברת נתונים במוצרי אלקטרוניקה לצרכנים. הם מרחיבים את הזיכרון המובנה של סמארטפונים, מצלמות דיגיטליות, קונסולות משחקים וטאבלטים. גרסות נוכחיות - כמו SDHC‏, SDXC‏ ו-SDUC‏ - מציעות קיבולת גבוהה יותר ומהירויות גבוהות יותר. גורמי הצורה המכניים שלהם (SD סטנדרטי, miniSD ו-microSD) ופיני החיבור הסטנדרטיים שלהם הופכים אותם לפורמט המועדף עבור זיכרון נשלף.
• כרטיסים חכמים: כרטיסים חכמים דומים בגודלם לכרטיסי אשראי אך משובץ בהם שבב מעגל משולב (IC‏) עבור פונקציונליות נוספת כגון אימות, הצפנה, זיהוי מאובטח ועיבוד תשלומים. הם עשויים להתממשק באמצעות מגעים פיזיים או לפעול ללא-מגעים באמצעות תקני RFID או NFC. כרטיסים אלה משמשים לעתים במערכות פיננסיות, שירותי בריאות ובקרת גישה, ודורשים קוראים תואמים בהתקנים מארחים.

איור 1: התפתחות גודלי כרטיסי זיכרון לאורך השנים. (מקור התמונה: Same Sky‏)

סוגי תחיבה עבור מחברי כרטיסי זיכרון

כפי שפורט קודם לכן, גם כרטיסי זיכרון SIM וגם כרטיסי זיכרון SD תלויים במערכת חיברורים מכניים כדי ליצור ממשק חשמלי יציב עם ההתקן המארח. ממשק זה חייב לאפשר מגע אותות עקבי תוך מתן אפשרות לתחיבה וחליצה חלקות של הכרטיס, אפילו תחת שימוש תכוף או מאמצים מכניים. כדי להתמודד עם דרישות אלו, תכנים מודרניים של מחברים מיישמים מנגנוני חיבור שונים המותאמים למקרי שימוש ואילוצים מכניים שונים:

• דחיפה פנימה / משיכה החוצה: תכן פשוט - דחיפה עבור תחיבה, משיכה עבור חליצה. ללא תפס או קפיץ. הטוב ביותר עבור התקנות עם רעידות נמוכות או כמעט-קבועות.
• דחיפה-דחיפה (שליפה אוטומטית): מנגנון קפיץ - דחיפה אחת עבור תחיבה, דחיפה שנייה עבור חליצה. מציע משוב טקטילי שהוא אידיאלי עבור שימוש תכוף בהתקנים לצרכנים.
• עם ציר: משתמש במכסה נעילה כדי לאבטח את הכרטיס במקומו. מיועד עבור סביבות עם רעידות גבוהות כמו מערכות רכב או תעשייתיות שבהן ריתוק מאובטח הוא קריטי.

כל סגנון מציע פשרות מבחינת עמידות, מקום ושימושיות, כאשר הבחירה תלויה בצרכים המכניים והסביבתיים של היישום.

בחינת מגעי מחבר כרטיס הזיכרון

גם כרטיסי SD וגם כרטיסי SIM יוצרים תקשורת עם התקן מארח באמצעות סדרה של פדים מוליכים - המכונים פינים או מגעים - על משטח הכרטיס. פינים אלה מתיישרים עם מגעים תואמים בסוקט (Socket‏) המחבר כדי להשלים מעגלים חשמליים, כאשר לכל פין מוקצית פונקציה ספציפית במערך סטנדרטי הנקרא מערך-פינים (Pinout‏).

החיבור הפיזי מתבצע באמצעות סוקט ייעודי המותקן על לוח ה-PCB‏ של ההתקן המארח. המחברים מותאמים לפורמט הספציפי של הכרטיס, כגון microSD או nano-SIM‏, כדי להבטיח יישור והעברת אותות אמינים.

תצורות מגעים בכרטיסי SD

כרטיסי SD התפתחו כדי לתמוך בקצבי נתונים גבוהים יותר באמצעות מספר תקני ממשק. כרטיס SD טיפוסי בגודל-מלא כולל 9 פיני מגעים, בעוד שגרסות microSD כוללות לרוב 8. גרסות עבור מהירות גבוהה יותר, כגון UHS-II או SD Express‏, עשויות לכלול פינים נוספים או אפילו שורה שנייה כדי להתמודד עם רוחב-פס אותות רחב יותר. כרטיסי SD מודרניים תומכים בפרוטוקולי התקשורת הבאים:

• SPI‏ (Serial Peripheral Interface‏): ממשק פשוט במהירות נמוכה, המשמש בדרך כלל במערכות משובצות או של חובבים.
• ממשקי אפיק SD‏: עם מהירות ברירת-מחדל ומהירות גבוהה ועד UHS-I‏, UHS-II‏ ו-UHS-III‏, כאשר כל אחד מאפשר קצב העברה גבוה יותר ויותר.
• PCIe/NVMe‏: ממשק זה, המשמש בכרטיסי SD Express, תומך בגישה לנתונים במהירות אולטרה-גבוהה - אידיאלי עבור וידאו בדירוג-מקצועי, העברות קבצים גדולים וביצועים ברמת-SSD‏.

תכן המחבר חייב להתאים לתצורת פיני הכרטיס ולפרוטוקול הנתמך כדי להבטיח פונקציונליות מלאה ותקינות נתונים.

תצורות המגעים בכרטיס SIM

כרטיסי SIM כוללים לרוב 6 עד 8 פיני מגעים, כאשר המספר המדויק תלוי בפורמט הכרטיס ובדרישות היישום. להלן פונקציות מגעים עבור כרטיס SIM עם 8 פינים:

• VCC‏: כניסת ספק-הכוח
• GND‏: ייחוס הארקה
• CLK‏: אות שעון עבור סינכרון נתונים
• I/O‏: קו נתונים טוריים דו-כיווני
• VPP‏: מתח תכנות
• RST‏: איפוס אות
• RFU‏: שמור עבור שימוש עתידי (בדרך כלל שני פינים, לא פעילים ביישומים סטנדרטיים)

כרטיסי SIM עם 6 פינים פשוט משמיטים את שני מגעי ה-RFU ושומרים רק על הקווים החיוניים: VCC‏, GND‏, I/O‏, CLK‏, RST‏ ו-VPP‏.

כמה ממחברי ה-SIM כוללים פין נוסף אחד או יותר עבור גילוי נוכחות כרטיס. פינים אלה הם חלק מהמחבר - לא כרטיס ה-SIM - ומקוצרים מכנית להארקה בעת תחיבת כרטיס. הם מאפשרים למערכת המארחת לחוש אירועי תחיבה/חליצה של כרטיס ולהגיב בהתאם, מבלי להפריע למגעי האותות.

איור 2: השוואה בין פינים שונים של כרטיסי SD ו-SIM. (מקור התמונה: Same Sky)

תצורות מגעים של כרטיסים חכמים

כפי שכבר צוין, כרטיסים חכמים הם התקנים בגודל כרטיס אשראי עם מעבד וזיכרון משובצים (RAM, EEPROM, ROM). הם מתחברים למערכות מארחות באמצעות פדי מגע או תקשורת RF ללא-מגעים. הסוקטים של כרטיסים חכמים מספקים ממשק מאובטח וניתן להסרה עבור חילופי נתונים אמינים ושימוש תכוף. תצורת המגעים עבור כרטיסים חכמים תואמת לזו של כרטיס SIM עם 8 פינים שנדון לעיל.

יישומי כרטיסי זיכרון ממשיכים לגדול

הגעתם של כרטיסי ה-SIM חוללה מהפכה בחיבוריות התקנים ניידים בכך שאפשרה זיהוי משתמש מאובטח וגישה לרשת. באופן דומה, התפתחות כרטיסי ה-SD הגדילה משמעותית את יכולות ההתקנים על ידי היצע אחסון מאובטח וניתן להסרה עבור העברת נתונים והרחבה. יישומי כרטיסי זיכרון, שפותחו במקור עבור טלפונים ניידים ואלקטרוניקה ניידת, התרחבו מאז על פני מגוון רחב של טכנולוגיות מתקדמות, כולל אבטחת בתים, התקני IoT, התקנים לבישים, רחפנים, קונסולות משחקים ועוד.

סיכום

טכנולוגיית כרטיסי זיכרון מודרנית תומכת באחסון נתונים עם ביצועים גבוהים וחיבוריות במגוון רחב של התקנים. כדי להתאים למגוון פורמטים של כרטיסי SD, SIM וכרטיסים חכמים, קיים מבחר רחב של פתרונות חיברורים, כולל מחברים, חולצים, מאריכים ומתאמים. רכיבים אלה מגיעים עם אפשרויות הרכבה למעלה ולמטה ובתכנים עם פרופיל אולטרה-נמוך, מה שהופך אותם לאידיאליים עבור יישומים קומפקטיים ומוגבלי-מקום. פתרונות החיברורים ומחברי כרטיסי הזיכרון של Same Sky מוצעים במגוון של תצורות כדי לענות על הצרכים של כמעט כל דרישת תכן.