Silicon Motion NAND-Speicherlösungen für autonome und elektrische Automobilanwendungen

Marktkontext

Der Übergang zu autonomen und elektrisch betriebenen Fahrzeugen sowie der sich daraus ergebende Wechsel zu einer zentralisierten Fahrzeugarchitektur erfordert hochleistungsfähigen, hochbandbreitigen, stabilen und sicheren Speicher, um erfolgreich zu sein.

Laut einer aktuellen Forschung werden bis 2025 ungefähr 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 unterhalten und dem Fahrer wichtige Informationen bereitstellen, um Sicherheit zu gewährleisten und sogar beim Fahren zu helfen. Die Bildschirme werden größer; einige streamen Musik, Videos und sogar Spiele für Passagiere, und das GPS ist direkt im Fahrzeug integriert, zusammen mit anderen Advanced Driver Assistance Systems (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 der Mischung eine große Menge an Daten hinzu. ADAS-Funktionen wie Spurhalteassistent, automatisches Bremsen und adaptive Geschwindigkeitsregelung sind datenabhängige Funktionen, und vollautonomes Fahren, das überhaupt kein menschliches Eingreifen erfordert, wird Daten für die automatische Entscheidungsfindung benötigen.

Die Konnektivität treibt auch die Anforderungen an die Datenspeicherung in Fahrzeugen in die Höhe. Ob WLAN oder 5G, die Konnektivität erleichtert das Upgrade der Onboard-Software. Wenn die Software einfacher zu aktualisieren ist, ist es wahrscheinlicher, dass sie in Form neuer Funktionen, Fehlerbehebungen und Sicherheits-Patches zu einem Fahrzeug hinzugefügt wird.

Das moderne Fahrzeug ist auch mit zahlreichen Diagnosefunktionen ausgestattet, die remote zugänglich werden könnten. Wie ein Verkehrsflugzeug haben Autos ihre eigenen Black Boxes, um aufzuzeichnen, was während eines Unfalls und in den Momenten davor geschieht. Speicher wird benötigt, um Daten wie Lenkeingaben, G-Kräfte auf das Auto, Geschwindigkeit, Telemetrie und sogar Video und Audio zu erfassen. Die Speicheranforderungen werden spezifischer, da eine große, plötzliche Datenflut schnell auf das Gerät geschrieben werden muss. Dieses Speichermedium muss robust genug sein, um einen schweren Aufprall sowie Feuer- oder Wasserschäden zu überstehen.

Ein wichtiger Designtrend in der Architektur intelligenter Fahrzeuge ist die Konsolidierung vieler Rechenfähigkeiten, sodass der Speicher eine Vielzahl von Anwendungen in den Funktionen von Fahrzeugen bedienen kann, während er intelligent genug ist, um zu wissen, was Priorität hat. Zum Beispiel könnten autonome Funktionen und Unterhaltungsanwendungen denselben Speicherpool teilen.

Architektur

Der Umstieg auf elektrifizierte und autonome Fahrzeuge hat Hersteller dazu gezwungen, die gesamte Philosophie der Fahrzeugentwicklung neu zu überdenken. Bis jetzt hatte fast jede Funktion im Fahrzeug ihre eigene ECU, um Messungen durchzuführen und Maßnahmen zu ergreifen. Jede dieser ECUs muss auch frei mit jeder anderen ECU kommunizieren können. Die Einführung fortgeschrittener Funktionen und Merkmale, wie ADAS, hat jedoch dazu geführt, dass die Anzahl der für den Betrieb eines Fahrzeugs erforderlichen ECUs dramatisch gestiegen ist, ebenso wie die erforderliche Bandbreite für die erzeugten Daten.

Der Anstieg der Anzahl an Steuergeräten führt natürlich zu einem Anstieg der Anzahl der Teile, die zur Herstellung dieser Steuergeräte benötigt werden, was wiederum zu einem entsprechenden Anstieg der Komplexität von Fahrzeugsystemen sowie deren Kosten geführt hat. Noch problematischer für Elektrofahrzeuge ist das zusätzliche Gewicht der zur Implementierung des elektrischen Systems benötigten Steuergeräte und Verkabelung, das sich negativ auf die Reichweite des Fahrzeugs auswirkt.

Alle neuen Funktionen in Fahrzeugen beruhen darauf, große Datenmengen zu erzeugen, zu verarbeiten und zu speichern. Die Hersteller dieser Fahrzeuge sehen eine zentrale Lösung als den besten Weg, um mit diesen Daten umgehen zu können. Während früher jeweils separate Steuergeräte (ECUs) für jede Funktion vorhanden waren, migrieren die Designs nun zu einem einzigen Steuergerät, das mehrere Aufgaben übernimmt, beispielsweise um alle Funktionen in einem einzigen physischen Bereich des Fahrzeugs zu steuern. Diese multifunktionalen Steuergeräte werden dann von einem zentralen Gateway kontrolliert. Im Laufe der Zeit wird dieses zentrale Gateway mehr Aufgaben übernehmen und mehr periphere Steuergeräte eliminieren, bis nur noch wenige entfernte Steuergeräte von einem sehr leistungsstarken zentralen Computer gesteuert werden. Der Erfolg dieser Umstellung beruht auf Speicherlösungen. Da immer mehr Funktionen in weniger Steuergeräten konsolidiert werden, müssen diese Steuergeräte schneller und leistungsfähiger sein, und der Speicher wird von mehreren Funktionen gemeinsam genutzt. 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 haben, die der des Fahrzeugs entspricht.

Ein weiterer Faktor im Markt für Embedded Computing ist, dass Anbieter von Industriegeräten-PCs (IPC) einem enormen Wettbewerbsdruck ausgesetzt sind, der das Risiko birgt, ihre Einnahmen aus ihren COM-Produktlinien zu beeinträchtigen. Um den Gewinn zu steigern oder zu halten, bemühen sich IPC-Hersteller intensiv um die Integration von Produkten, die Mehrwert bieten, teilweise indem sie Komponenten direkt auf der COM-Platine integrieren, die zuvor externe Plug-in-Geräte waren. Der Speicher ist eines der wichtigsten Bordelemente eines Embedded-Computing-Systems: IPC-Anbieter sind ständig

Lösungen

Die ständig wachsenden Mengen an digitalen Daten, die verarbeitet und gespeichert werden müssen, führen dazu, dass Entwickler von Fahrzeugsystemen nun NAND-Flash-Geräte gegenüber rotierender Medien für Massenspeicher bevorzugen, da sie zuverlässig sind, große Temperaturbereiche tolerieren und große Kapazitäten in kleinen Formfaktoren bieten. Jedes NAND-Flash-Speichergerät muss mit den Kapazitätsanforderungen, geringer Latenz und Leistung Schritt halten, indem es schnelle Lese- und Schreibgeschwindigkeiten sowie einen hohen Datendurchsatz bietet. Trotz dieser Konsolidierung wird es eine Vielzahl unterschiedlicher NAND-Speichertypen geben, um den erforderlichen Speicheranforderungen in autonomen und Elektrofahrzeugen gerecht zu werden.

Zusätzlich zu den automobilen Qualifikationen wird von Speichergeräten erwartet, dass sie so lange halten, wie das Fahrzeug auf der Straße 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 Interessengruppen in der Automobil-Lieferkette wegen Leistung, Zuverlässigkeit, Langlebigkeit und Sicherheitsaspekten zunehmend übernommen.

NAND-Speicher in modernen Automobildesigns

Als NAND-Flash-Speicher noch recht teuer war und nicht die heutigen Dichten und Kostenstrukturen erreicht hatte, galten Festplatten mit rotierendem Medium als die beste Lösung zur Datenspeicherung in Autos. Festplatten in Automobilqualität wurden entwickelt, um extremen Temperaturen und Vibrationen standzuhalten sowie Schockbelastungen von mehr als dem 200-fachen der Erdbeschleunigung zu widerstehen. Sie waren auch günstig in Anbetracht der Datenmenge, die sie auf kleinem Raum speichern konnten. Allerdings haben Festplatten relativ langsame Zugriffszeiten und sind anfällig für Stoß- und Vibrationsausfälle.

Doch als die NAND-Flash-Kosten sanken und sich die SSD-Designs weiterentwickelten, begannen sie mehr Sinn zu ergeben und drehten Medien zu ersetzen. Ein klarer Vorteil von NAND-Speichern gegenüber Festplatten ist das Fehlen beweglicher Teile, was sie weniger anfällig für Ausfälle durch Stöße und Vibrationen macht. NAND-Speicher ist auch viel schneller als eine Festplatte und kann zudem die extremen Temperaturschwankungen in Automobilanwendungen bewältigen.

NAND-Flash findet auf vielfältige Weise seinen Weg in das moderne Fahrzeug, um zahlreiche Anwendungen zu unterstützen; die Arten von NAND-Flash-Speicher im Fahrzeug hängen von den Leistungs- und Kapazitätsanforderungen der Anwendung ab. CompactFlash und Secure Digital-Karten bleiben flexible Optionen für Automobilanwendungen wie digitale Karten und Dashcams. Diese herausnehmbaren Speichertypen ermöglichen die Flexibilität für Content-Upgrades und -Abrufe im Nachrüstmarkt.

Vorteile von NAND-Flash

NAND-Speicher in Form von eMMC war der erste Typ von Flash-Speicher, der in Automobilanwendungen weit verbreitet eingesetzt wurde. Diese nicht entnehmbare Speicherkarte, die häufig in Mobiltelefonen eingesetzt wird, wird auf eine Leiterplatte gelötet und ist dadurch gegen ständige Vibrationen geschützt. eMMC bleibt eine praktikable Wahl zur Speicherung von Daten, die mit vielen Navigations- und Infotainment-Anwendungen verbunden sind, einschließlich Satellitenradio, 3D-Karten, Verkehrsüberwachung und Wetterinformationen.

Das Aufkommen der UFS-Schnittstelle hat dazu geführt, dass sie eMMC bei neueren Automobildesigns verdrängt hat, da sie speziell als Hochleistungsersatz für eMMC entwickelt wurde. Sie bietet eine schnellere Schnittstelle, höhere Dichte, bessere Energieeffizienz und höhere Lese- und Schreibgeschwindigkeiten im Vergleich zu eMMC. UFS ermöglicht auch schnelle Startzeiten, wodurch Systeme so schnell gestartet werden können, wie der Fahrer benötigt, um den Schlüssel im Zündschloss zu drehen.

Die zunehmend höheren Anforderungen an die Rechenleistung im Automobildesign haben die Anforderungen an Datenspeicher in Bezug auf Leistung und Speicherkapazität noch weiter erhöht. Dies hat zur Einführung von höherkapazitivem NAND-Flash-Speicher in Form von vollwertigen SSDs geführt, die in Automobilqualität sind. Das bedeutet, dass sie für unternehmensäquivalente Leistung und Fähigkeiten konzipiert sind und gleichzeitig extreme Temperaturbereiche unterstützen. Die größeren Kapazitäten ermöglichen zudem die Konsolidierung von Speicher innerhalb des Automobilsystems, um die Gesamtanzahl der benötigten Speichergeräte zu reduzieren. SSDs in Automobilqualität wechseln von SATA zur PCIe-NVMe-Schnittstelle, da immer mehr Fahrzeuge mit fortschrittlichen autonomen Fahrfähigkeiten verkauft werden. Sie benötigen bis zu 1TB Flash-Speicher für 3D-Karten, 4K-Infotainment-Inhalte, Sensordaten und Black-Box-Aufzeichnungen, was zusammen die Anforderungen an mehr Bandbreite, Latenz und Kapazität erhöht.

Praxisspeicherlösungen für Automobilanwendungen

Silicon Motion bietet eine Reihe von NAND-Speicherlösungen an, 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 zuverlässigen PCIe NVMe/SATA/PATA-Speicher mit schnellen Zugriffsgeschwindigkeiten. Sie integriert in der Branche bewährte Controller-Technologie, NAND-Flash und passive Komponenten, um das Design von Automobillösungen zu vereinfachen. Die Ferri-UFS-Reihe bietet einen funktionsreichen Flash-Controller, der mit dem neuesten UFS2.1/3.1-Standard und Standard-NAND-Flash-Speicher konform ist. Ihre leistungsstarke Speicherzugriffskapazität, bessere Energieeffizienz und einfache Systemgestaltung machen sie ideal für Automobilanwendungen. 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 Familien von NAND-Lösungen bieten auch eine Vielzahl von Funktionen, um sicherzustellen, dass das Gesamtsystemdesign so einfach wie möglich ist, darunter:

Controller sind „Das Gehirn“ von NAND-Flash

NAND-Flash-Speichergeräte für Automobilanwendungen sollten auf die Funktionen zugeschnitten sein, die im modernen Fahrzeug zu finden sind. 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 die Leistung, Zuverlässigkeit, Sicherheit gewährleistet und die verschiedenen 3D-NAND-Flash-Technologien unterstützt.

eMMC-, UFS- und SSD-Controller bieten viele der gleichen Funktionen wie jene Controller für andere Anwendungen. Die Controller, die für den Automobilbereich verwendet werden, werden jedoch in der Regel von den Halbleitergießereien nach einem Automobilprozess hergestellt, unterstützen erweiterte Temperaturen, weisen einen niedrigen Defected Parts Per Million (DPPM)-Wert auf und sind mit Blick auf die ASPICE-Standardkonformität entwickelt.

Ob es sich nun um einen einfachen Controller oder ein vollständiges Speichergerät handelt, alle automobiltauglichen 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.

Automobil-Designs entwickeln sich für moderne autonome und Elektrofahrzeuge weiter, ebenso wie die entsprechenden Speichersysteme. Da NAND-Flash auf so viele Arten in modernen Fahrzeugen zum Einsatz kommt, um zahlreiche Anwendungen zu unterstützen, erwarten Automobilhersteller, dass das gewählte NAND-Speichergerät die erforderliche Leistung und Zuverlässigkeit aufweist, wobei die Datenhaltung mit der Lebensdauer des Fahrzeugs übereinstimmt. Ein praktisches Beispiel sind die PCIe NVMe SSD-Controller in Automobilqualität von Silicon Motion, die alle oben genannten Funktionen bieten und zudem über eine eingebaute SR-IOV-Fähigkeit verfügen, um Netzwerkressourcen zu virtualisieren und es zu ermöglichen, dass eine einzelne SSD über bis zu acht verschiedene Funktionen geteilt wird, um Kosten zu senken und gleichzeitig die Leistung und den Durchsatz des Netzwerks zu erhöhen.

Zusammenfassung

Da der Übergang zu Elektroantrieb und autonomem Fahren mit voller Geschwindigkeit stattfindet, bietet NAND-Speicher die einzige Speicherlösung, die schnell, robust und sicher genug für die neuen Architekturen ist, die implementiert werden, um die für die Fahrzeuge von morgen notwendigen Funktionen zu integrieren. Die Automobilindustrie befindet sich bereits im Prozess der Migration zu NAND-Speicher, da dessen Preis gesunken und seine Fähigkeiten gestiegen sind. Diese Migration muss nicht schwierig sein, da aktuell verfügbare Lösungen die vielen erforderlichen Funktionen für eine vollständige Speicherlösung in einem einzigen Paket integrieren. Zuverlässige Anbieter wie Silicon Motion verfügen über ein robustes Portfolio an maßgeschneiderten Flash-Speicher- und Controller-Lösungen, die optimiert sind, um Infotainment-, Navigations-, ADAS- und selbstfahrende Anwendungen zu unterstützen und zukunftssicher zu sein, um die Evolution des Rechenzentrums auf Rädern zu unterstützen.