Silicon Motion NAND-Speicherlösungen für autonome und elektrische Automobilanwendungen

Marktkontext

Die Migration zu autonomen und elektrisch angetriebenen Fahrzeugen sowie der daraus resultierende Übergang zu einer zentralisierten Fahrzeugarchitektur erfordert hochleistungsfähigen, hochbandbreitigen, stabilen und sicheren Speicher, um erfolgreich zu sein.

Laut einer aktuellen Forschung werden bis 2025 etwa 90 Millionen Autos Daten von Sensoren sammeln und online verfügbar machen. Das heutige Fahrzeug vereint viele fortschrittliche „Infotainment“-Funktionen in einem einzigen Cockpit-Armaturenbrett – Bildschirme, die Unterhaltung bieten und dem Fahrer entscheidende Informationen bereitstellen, um Sicherheit zu gewährleisten und ihm sogar beim Fahren zu helfen. Die Bildschirme werden größer; einige streamen Musik, Videos und sogar Spiele für die Passagiere, und das GPS ist direkt im Fahrzeug integriert, zusammen mit anderen fortschrittlichen Fahrerassistenzsystemen (ADAS). Viele ADAS-Funktionen sammeln Daten von Sensoren, Kameras, Radar und Lidar. Obwohl die Datenmenge für jede Funktion gering sein kann, summiert sie sich.

Autonomie, selbst wenn sie nur teilweise vorhanden ist, fügt dem Ganzen eine erhebliche Menge an Daten hinzu. ADAS-Funktionen wie Spurhalteassistent, automatisches Bremsen und adaptive Geschwindigkeitsregelung sind datenabhängige Funktionen, und vollautonomes Fahren, das keinerlei menschliches Eingreifen erfordert, wird Daten benötigen, damit automatische Entscheidungen getroffen werden können.

Die Konnektivität erhöht auch die Anforderungen an die Datenspeicherung in Fahrzeugen. Ob Wi-Fi oder 5G – die Konnektivität erleichtert die Aktualisierung der Bordsoftware. Wenn Software einfacher aktualisiert werden kann, ist es wahrscheinlicher, dass sie dem Fahrzeug in Form neuer Funktionen, Fehlerbehebungen und Sicherheitsupdates hinzugefügt wird.

Das moderne Fahrzeug ist ebenfalls mit einer Vielzahl von Diagnosemöglichkeiten ausgestattet, die möglicherweise aus der Ferne zugänglich werden könnten. Ähnlich wie ein Verkehrsflugzeug verfügen Autos über eigene Black Boxes, die aufzeichnen, was während eines Unfalls und in den Momenten davor geschieht. Es wird Speicherplatz benötigt, um Daten wie Lenkeingaben, auf das Auto wirkende G-Kräfte, Geschwindigkeit, Telemetrie und sogar Video- und Audiodaten zu erfassen. Die Anforderungen an den Speicher werden spezifischer, da eine große, plötzliche Datenmenge schnell auf das Gerät geschrieben werden muss. Dieses Speichermedium muss robust genug sein, um einem schweren Aufprall sowie Feuer- oder Wasserschäden standzuhalten.

Ein wichtiger Designtrend in der Architektur intelligenter Fahrzeuge ist die Konsolidierung vieler Rechenkapazitäten, sodass der Speicher eine Vielzahl von Anwendungen für die Fahrzeugfunktionen unterstützen kann, während er gleichzeitig intelligent genug ist, um Prioritäten zu erkennen. Zum Beispiel könnten autonome Funktionen und Unterhaltungsanwendungen denselben Speicherpool nutzen.

Architektur

Der Übergang zu elektrifizierten und autonomen Fahrzeugen hat die Hersteller dazu gezwungen, die gesamte Philosophie der Fahrzeuggestaltung neu zu überdenken. Bis jetzt hatte nahezu jede Funktion im Fahrzeug ihre eigene ECU, um Messungen durchzuführen und Aktionen auszuführen. Jede dieser ECUs musste zudem frei mit jeder anderen ECU kommunizieren können. Die Einführung fortschrittlicher Funktionen und Features wie ADAS hat jedoch dazu geführt, dass die Anzahl der für den Betrieb eines Fahrzeugs erforderlichen ECUs dramatisch gestiegen ist, ebenso wie die benötigte Bandbreite für die generierten Daten.

Die Zunahme der Anzahl von Steuergeräten (ECUs) führt naturgemäß zu einem Anstieg der Anzahl der Teile, die für die Herstellung dieser Steuergeräte erforderlich sind, was wiederum zu einem entsprechenden Anstieg der Komplexität von Fahrzeugsystemen sowie deren Kosten geführt hat. Noch problematischer für Elektrofahrzeuge ist, dass das zusätzliche Gewicht der Steuergeräte und der Verkabelung, die für die Implementierung des elektrischen Systems benötigt werden, sich negativ auf die Reichweite des Fahrzeugs auswirkt.

Alle neuen Fahrzeugfunktionen basieren darauf, große Mengen an Daten zu erzeugen, zu verarbeiten und zu speichern. Die Hersteller dieser Fahrzeuge sehen in einer zentralisierten Lösung die beste Möglichkeit, um mit diesen Daten umzugehen. Statt für jede Funktion separate Steuergeräte (ECUs) zu haben, gehen die Designs dazu über, ein einziges Steuergerät für mehrere Aufgaben einzusetzen – beispielsweise, um alle Funktionen in einem einzelnen physischen Bereich des Fahrzeugs zu steuern. Diese multifunktionalen Steuergeräte (ECUs) werden dann von einem zentralen Gateway kontrolliert. Mit der Zeit wird dieses zentrale Gateway immer mehr Aufgaben übernehmen und weitere periphere Steuergeräte ersetzen, bis nur noch wenige entfernte Steuergeräte von einem äußerst leistungsstarken zentralen Computer gesteuert werden. Der Erfolg dieses Übergangs hängt von der Speichertechnologie ab. Je mehr Funktionen in weniger Steuergeräten konsolidiert werden, desto schneller und leistungsfähiger müssen diese Steuergeräte sein, während der Speicher von mehreren Funktionen gemeinsam genutzt wird. Das zentrale Gateway und alle anderen Steuergeräte müssen in der Lage sein, die benötigten Daten rechtzeitig aus dem Speicher abzurufen. Der Speicher muss zuverlässig sein, insbesondere bei sicherheitskritischen Anwendungen. Er muss sicher sein und eine Lebensdauer aufweisen, die der des Fahrzeugs entspricht.

Ein weiterer Faktor im Markt für Embedded Computing ist, dass Anbieter von Industrie-PCs (IPC) einem enormen Wettbewerbsdruck ausgesetzt sind, der das Risiko birgt, die Einnahmen aus ihren COM-Produktlinien zu schmälern. Um den Gewinn zu steigern oder zu halten, investieren IPC-Hersteller erhebliche Anstrengungen in die Integration von Produkten, die einen Mehrwert schaffen, unter anderem durch die Einbettung von Komponenten auf der COM-Platine, die zuvor externe Einsteckgeräte waren. Speicher ist eines der wichtigsten integrierten Elemente eines Embedded-Computing-Systems: IPC-Anbieter sind stets

Lösungen

Die ständig wachsenden Mengen digitaler Daten, die verarbeitet und gespeichert werden müssen, bedeuten, dass Automobilsystemdesigner inzwischen NAND-Flash-Geräte gegenüber rotierenden Medien für die Massenspeicherung bevorzugen, da diese zuverlässiger sind und eine hohe Toleranz gegenüber großen Temperaturbereichen sowie hohe Kapazitäten in kleinen Formfaktoren bieten. Jedes NAND-Flash-Speichergerät muss mit den Kapazitätsanforderungen, niedriger Latenz und der Leistung Schritt halten, indem es schnelle Lese- und Schreibgeschwindigkeiten sowie hohe Datenübertragungsraten liefert. Trotz dieser Konsolidierung wird es eine Vielzahl unterschiedlicher NAND-Speichertypen geben, um die erforderlichen Speicheranforderungen für autonome und elektrische Fahrzeuge zu unterstützen.

Zusätzlich zur Erfüllung von Automobilqualifikationen wird von Speichermedien erwartet, dass sie so lange halten, wie das Fahrzeug auf der Straße unterwegs ist. NAND-Flash-Speicherlösungen wie embedded Multimedia Card (eMMC), Universal Flash Storage (UFS) und Solid-State-Drives (SSD) werden von Automobilherstellern, Tier-1-Systemdesignern und anderen wichtigen Akteuren in der Lieferkette der Automobilindustrie aufgrund von Leistungs-, Zuverlässigkeits-, Langlebigkeits- und Sicherheitsanforderungen zunehmend angenommen.

NAND-Speicher in modernen Automobildesigns

Als NAND-Flash-Speicher noch recht teuer war und noch nicht die heutigen Dichten und Kostenstrukturen erreicht hatte, galten Festplatten mit rotierenden Medien als die beste Lösung zur Datenspeicherung in Autos. Festplatten in Automobilqualität wurden so konzipiert, dass sie extremen Temperaturen und Vibrationen standhalten konnten und zusätzlich Stoßbelastungen von bis zu 200-facher Erdbeschleunigung und mehr aushielten. Außerdem waren sie im Vergleich zu der Menge an Daten, die sie auf kleinem Raum speichern konnten, kostengünstig. Allerdings haben Festplatten relativ langsame Zugriffszeiten und sind anfällig für Ausfälle durch Erschütterungen und Vibrationen.

Doch mit sinkenden Kosten für NAND-Flash und der Weiterentwicklung von Solid-State-Speicher-Designs begannen diese, mehr Sinn zu ergeben und die rotierenden Speichermedien zu ersetzen. Ein klarer Vorteil von NAND-Speichern gegenüber Festplatten ist das Fehlen beweglicher Teile, wodurch sie weniger anfällig für Ausfälle durch Erschütterungen und Vibrationen sind. NAND-Speicher sind zudem viel schneller als Festplatten und können außerdem die extremen Temperaturbereiche von Automobilanwendungen bewältigen.

NAND-Flash findet auf vielfältige Weise seinen Weg in moderne Fahrzeuge, um zahlreiche Anwendungen zu unterstützen; die Art des NAND-Flash-Speichers im Fahrzeug hängt von den Leistungs- und Kapazitätsanforderungen der jeweiligen Anwendung ab. CompactFlash- und Secure-Digital-Karten bleiben flexible Optionen für Automobilanwendungen wie digitale Karten und Dashcams. Diese herausnehmbaren Speicherarten ermöglichen die Flexibilität von nachträglichen Inhaltsaktualisierungen und -abrufen.

Vorteile von NAND-Flash

NAND-Speicher in Form von eMMC war der erste Typ von Solid-State-Speicher, der in großem Umfang für Automobilanwendungen übernommen wurde. Weit verbreitet in Mobiltelefonen, wird diese nicht entnehmbare Speicherkarte auf eine Leiterplatte gelötet, was sie sicher gegenüber ständigen Vibrationen macht. eMMC bleibt weiterhin eine praktische Wahl für die Speicherung von Daten, die sich auf viele Navigations- und Infotainment-Anwendungen beziehen, einschließlich Satellitenradio, 3D-Karten, Verkehrsüberwachung und Wetterinformationen.

Das Aufkommen der UFS-Schnittstelle hat eMMC für neuere Fahrzeugdesigns verdrängt, da sie speziell als leistungsstarker Ersatz für eMMC entwickelt wurde. Sie bietet eine schnellere Schnittstelle, höhere Speicherdichte, bessere Energieeffizienz und höhere Leistung bei Lese- und Schreibvorgängen im Vergleich zu eMMC. UFS ermöglicht zudem schnelle Bootzeiten, sodass Systeme genauso schnell starten können, wie der Fahrer den Schlüssel im Zündschloss dreht.

Die steigenden rechnerischen Anforderungen an das Automobildesign haben die Anforderungen an Datenspeicher in Bezug auf Leistung und Speicherkapazität noch weiter erhöht. Dies hat zur Einführung von hochkapazitivem NAND-Flash-Speicher in Form vollwertiger SSDs geführt, die für den Automobilbereich ausgelegt sind. Das bedeutet, dass sie so konstruiert sind, dass sie eine performance und Fähigkeiten auf Unternehmensebene bieten, während sie extreme Temperaturbereiche unterstützen. Die größeren Kapazitäten ermöglichen zudem die Konsolidierung von Speicher innerhalb des Fahrzeugsystems, wodurch die Gesamtanzahl der benötigten Speichergeräte reduziert wird. Automobil-taugliche SSDs wechseln von SATA zur PCIe-NVMe-Schnittstelle, da mehr Fahrzeuge mit fortschrittlichen autonomen Fahrfunktionen verkauft werden. Sie benötigen bis zu 1 TB Flash-Speicher für 3D-Karten, 4K-Infotainment-Inhalte, Sensordaten und Black-Box-Aufzeichnungen, was die Anforderungen an mehr Bandbreite, Latenz und Kapazität erhöht.

Praktische Speicherlösungen für Automobilanwendungen

Silicon Motion bietet eine Reihe von NAND-Speicherlösungen, die vollständig integriert und ideal für den Einsatz in Automobilanwendungen geeignet sind. Sie sind so konzipiert, dass Fahrzeughersteller problemlos auf Architekturen der nächsten Generation mit erweiterten Funktionen umsteigen können, während sie die geltenden Standards einhalten. Die FerriSSD-Familie bietet zuverlässige PCIe NVMe/SATA/PATA-Speicher mit schnellen Zugriffszeiten. Sie integriert bewährte Controller-Technologie, NAND-Flash und passive Komponenten, um Automobildesigns zu vereinfachen. Die Ferri-UFS-Reihe bietet einen funktionsreichen Flash-Controller, der mit den neuesten UFS2.1/3.1-Standards sowie Standard-NAND-Flash-Speichern kompatibel ist. Dank ihrer hochleistungsfähigen Speicherzugriffe, besserer Energieeffizienz und einfachen Systemgestaltung ist sie ideal für Automobilanwendungen geeignet. Schließlich ist die Ferri-eMMC-Reihe des Unternehmens vollständig konform mit den JEDEC-Standards für eMMC 4.5/5.0/5.1-Protokolle. Die drei NAND-Lösungsfamilien bieten zudem eine breite Palette von Funktionen, um sicherzustellen, dass das Gesamtsystemdesign so einfach wie möglich ist, darunter folgende Eigenschaften:

Controller sind „das Gehirn“ des NAND-Flash-Speichers

NAND-Flash-Speichergeräte für Automobilanwendungen sollten auf die Funktionen zugeschnitten sein, die im modernen Fahrzeug zu finden sind, und dies wird hauptsächlich durch die NAND-Controller-Technologie ermöglicht, die speziell für Automobilanwendungen entwickelt wurde. Der NAND-Controller ist im Wesentlichen das „Gehirn“ eines Speichergeräts, da er eine entscheidende Rolle bei der Optimierung der verschiedenen NAND-Flash-Speicher für Automobilanwendungen spielt, indem er Leistung, Zuverlässigkeit und Sicherheit gewährleistet sowie verschiedene 3D-NAND-Flash-Technologien unterstützt.

eMMC-, UFS- und SSD-Controller teilen viele der gleichen Fähigkeiten wie die Controller für andere Anwendungen. Die für den Automobilbereich verwendeten Controller werden jedoch normalerweise auf einem Automobilprozess von den Halbleiterfabriken hergestellt, unterstützen erweiterte Temperaturbereiche, weisen eine niedrige Defective Parts Per Million (DPPM) auf und sind mit Blick auf die ASPICE-Standardkonformität entwickelt.

Ob es sich nur um einen Controller oder ein vollständiges Speichergerät handelt, alle Automotive-Flash-Produkte müssen nachweisen, dass sie strengen Tests unterzogen wurden, um die von Automobilherstellern erwarteten Qualifikationen zu erfüllen, einschließlich AEC-Q100-Konformität sowie ISO 9000/9001 und ISO26262-Zertifizierung.

Automobildesigns entwickeln sich weiter für moderne autonome und Elektrofahrzeuge, ebenso wie die entsprechenden Speichersysteme. Da NAND-Flash auf vielfältige Weise seinen Weg in moderne Fahrzeuge findet, um zahlreiche Anwendungen zu unterstützen, erwarten Automobilhersteller von ihrem gewählten NAND-Speichergerät die erforderliche Leistung und Zuverlässigkeit mit Datenhaltbarkeit, die der Lebensdauer des Fahrzeugs entspricht. Ein praktisches Beispiel dafür sind die Automotive-Grade PCIe NVMe SSD-Controller von Silicon Motion, die alle oben genannten Funktionen bieten und zudem über eine integrierte SR-IOV-Funktionalität verfügen, um Netzwerkressourcen zu virtualisieren und eine SSD über bis zu acht verschiedene Anwendungen hinweg zu teilen. Dies reduziert die Kosten, während die Leistung und der Durchsatz des Netzwerks erhöht werden.

Zusammenfassung

Mit dem Übergang zu elektrischer Energie und autonomen Fahren, der mit voller Geschwindigkeit voranschreitet, bietet NAND-Speicher die einzige Speicherlösung, die schnell, robust und sicher genug für die neuen Architekturen ist, die implementiert werden, um die notwendigen Funktionen für die Fahrzeuge von morgen zu ermöglichen. Die Automobilindustrie befindet sich bereits im Prozess der Migration zu NAND-Speichern, da deren Preis gesunken ist und die Leistung gesteigert wurde. Diese Migration muss nicht schwierig sein, da die derzeit verfügbaren Lösungen die vielen erforderlichen Funktionen für eine komplette Speicherlösung in einem einzigen Paket integrieren. Zuverlässige Anbieter wie Silicon Motion verfügen über ein robustes Portfolio maßgeschneiderter Flash-Speicher- und Controller-Lösungen, die optimiert sind, um Infotainment-, Navigations-, ADAS- und autonome Fahranwendungen zu unterstützen, sowie zukunftssicher sind, um die Weiterentwicklung des „Rechenzentrums auf Rädern“ zu unterstützen.