Soluciones de memoria NAND de Silicon Motion para aplicaciones automotrices autónomas y eléctricas

Contexto del mercado

La migración hacia vehículos autónomos y eléctricos, junto con la transición resultante a una arquitectura centralizada de vehículos, requiere memoria de alto rendimiento, gran ancho de banda, estable y segura para lograr el éxito.

Según una investigación actual, aproximadamente 90 millones de automóviles recopilarán datos de sensores y los pondrán disponibles en línea para el año 2025. Los vehículos de hoy en día reúnen muchas funciones avanzadas de “infoentretenimiento” en un único tablero de cockpit: pantallas que entretienen y proporcionan información crítica al conductor para garantizar la seguridad e incluso ayudarle a conducir. Las pantallas están aumentando de tamaño; algunas transmiten música, videos e incluso juegos para los pasajeros, y el GPS está integrado directamente en el vehículo junto con otros Sistemas Avanzados de Asistencia al Conductor (ADAS). Muchas funciones de los ADAS recopilan datos de sensores, cámaras, radares y lidar. Aunque la cantidad de datos de cada función puede ser pequeña, se acumula.

La autonomía, incluso si es solo parcial, agrega una gran cantidad de datos a la mezcla. Las características de ADAS, como el mantenimiento de carril, el frenado automático y el control de crucero adaptativo, son funciones dependientes de datos, y la conducción totalmente autónoma que no requiere ninguna intervención humana dependerá de datos para que ocurra la toma de decisiones automática.

Connectivity is also driving up data storage requirements on vehicles. Whether it’s Wi-Fi or 5G, connectivity makes it easier to upgrade onboard software. When software becomes easier to upgrade, it’s more likely to be added to a vehicle in the form of new features, bug fixes, and security patches.

El vehículo moderno también está equipado con una gran cantidad de capacidades de diagnóstico que podrían hacerse accesibles de forma remota. Al igual que un avión comercial, los automóviles tienen sus propias cajas negras para registrar lo que sucede durante un accidente y los momentos previos a este. Se necesita almacenamiento para capturar datos como la entrada de dirección, las fuerzas G en el automóvil, la velocidad, la telemetría e incluso video y audio. Los requisitos de almacenamiento se vuelven más específicos porque una gran cantidad repentina de datos debe escribirse rápidamente en el dispositivo. Ese dispositivo de almacenamiento debe ser lo suficientemente resistente como para sobrevivir a un impacto grave e incluso a daños por fuego o agua.

Una tendencia clave en el diseño de la arquitectura de vehículos inteligentes es la consolidación de numerosas capacidades de computación para que el almacenamiento pueda servir a una variedad de aplicaciones en las funciones de los vehículos, mientras es lo suficientemente inteligente como para saber qué tiene prioridad. Por ejemplo, las funciones autónomas y las aplicaciones de entretenimiento podrían compartir el mismo grupo de almacenamiento.

Arquitectura

El avance hacia vehículos electrificados y autónomos ha obligado a los fabricantes a replantear toda la filosofía de cómo se diseñan los vehículos. Hasta ahora, casi todas las funciones en el vehículo tenían su propia ECU para realizar mediciones y ejecutar acciones. Cada una de esas ECUs también necesita comunicarse libremente con cualquier otra ECU. Sin embargo, la introducción de funciones y características avanzadas, como el ADAS, ha significado que el número de ECUs necesarias para que un vehículo funcione haya aumentado drásticamente, junto con el ancho de banda requerido para los datos que se generan.

Ese aumento en el número de ECUs naturalmente conduce a un incremento en el número de piezas necesarias para fabricar esas ECUs, lo que, a su vez, ha provocado un aumento correspondiente en la complejidad de los sistemas de los vehículos, así como en su costo. Aún peor para los vehículos eléctricos, el peso adicional de las ECUs y del cableado necesario para implementar el sistema eléctrico tiene un impacto real negativo en la autonomía del vehículo.

Todas las nuevas características en los vehículos dependen de producir, procesar y almacenar grandes cantidades de datos. Los fabricantes de estos vehículos consideran que una solución centralizada es la mejor manera de manejar esos datos. En lugar de tener unidades de control electrónico (ECUs) separadas para cada función, los diseños están migrando hacia tener una única ECU que se encargue de múltiples tareas, por ejemplo, hacerse cargo de todas las funciones en una sola área física del vehículo. Estas ECUs multifuncionales luego son controladas por un gateway central. Con el tiempo, ese gateway central asumirá más tareas, eliminando más ECUs periféricas hasta que solo queden unas pocas ECUs remotas controladas por una computadora central muy poderosa. El éxito de esa transición depende de la memoria. A medida que más funciones se consolidan en menos ECUs, esas ECUs necesitan ser más rápidas y más poderosas, y la memoria se comparte entre múltiples funciones. El gateway central y cualquier otra ECU deben tener acceso oportuno a los datos almacenados que necesiten. El almacenamiento debe ser confiable, especialmente en el caso de aplicaciones críticas. También debe ser seguro y tener la duración suficiente para coincidir con la vida útil del vehículo.

Otro factor en el mercado de la computación empotrada es que los proveedores de PC industriales (IPC) enfrentan una enorme presión competitiva que corre el riesgo de reducir sus ingresos provenientes de sus líneas de productos COM. Para aumentar o mantener las ganancias, los fabricantes de IPC dedican grandes esfuerzos a la integración de productos que añadan valor, en parte mediante la incorporación en la placa COM de componentes que anteriormente podían haber sido dispositivos externos y conectables. El almacenamiento es uno de los elementos más vitales en una sistema de computación empotrada: los proveedores de IPC siempre están

Soluciones

Las cantidades crecientes de datos digitales que deben ser procesados y almacenados significan que los diseñadores de sistemas automotrices ahora prefieren dispositivos de memoria flash NAND sobre medios rotacionales para almacenamiento masivo debido a su confiabilidad y tolerancia a rangos amplios de temperatura, así como a sus grandes capacidades en formatos pequeños. Cualquier dispositivo de almacenamiento flash NAND debe mantenerse al ritmo de los requisitos de capacidad, baja latencia y rendimiento al ofrecer velocidades rápidas de lectura y escritura, además de un alto rendimiento de datos. A pesar de esta consolidación, habrá una variedad de diferentes tipos de almacenamiento NAND para satisfacer las demandas de almacenamiento de datos requeridas en vehículos autónomos y eléctricos.

Además de cumplir con las calificaciones de grado automotriz, se espera que los dispositivos de almacenamiento duren tanto como el vehículo esté en funcionamiento. Las soluciones de almacenamiento NAND flash, como las tarjetas Multimedia Embebidas (eMMC), el Almacenamiento Flash Universal (UFS) y las Unidades de Estado Sólido (SSD), están siendo adoptadas rápidamente por los fabricantes de automóviles, diseñadores de sistemas Tier 1 y otros actores clave en la cadena de suministro automotriz, debido a consideraciones de rendimiento, fiabilidad, longevidad y seguridad.

Almacenamiento NAND en diseños automotrices modernos

Cuando la memoria flash NAND aún era bastante cara y no había alcanzado las densidades y las estructuras de costos que vemos hoy en día, los discos duros con medios rotacionales se consideraban la mejor solución para almacenar datos en automóviles. Los discos duros de grado automotriz estaban diseñados para manejar extremos de temperatura y vibración, además de soportar cargas de impacto de hasta 200 veces la fuerza de gravedad y más. También eran económicos considerando la cantidad de datos que podían almacenar en un espacio reducido. Sin embargo, los discos duros tienen tiempos de acceso relativamente lentos y son susceptibles a fallos por choque y vibración.

Pero a medida que el costo de la memoria flash NAND disminuyó y los diseños de almacenamiento de estado sólido maduraron, comenzaron a tener más sentido y a reemplazar los medios rotativos. Una clara ventaja de la memoria NAND sobre los discos duros es la ausencia de partes móviles, lo que los hace menos propensos a fallar debido a golpes y vibraciones. El almacenamiento NAND también es mucho más rápido que un disco duro y puede soportar los rangos de temperaturas extremas de las aplicaciones automotrices.

La memoria flash NAND se integra en los vehículos modernos de muchas maneras para respaldar una gran variedad de aplicaciones; los tipos de almacenamiento con flash NAND en el vehículo dependen de los requisitos de rendimiento y capacidad de cada aplicación. Las tarjetas CompactFlash y Secure Digital siguen siendo opciones flexibles para aplicaciones automotrices, como mapas digitales y cámaras de tablero. Estos tipos de almacenamiento extraíble permiten la flexibilidad de actualizar y recuperar contenido en el mercado secundario.

Ventajas de la memoria NAND Flash

El almacenamiento NAND en forma de eMMC fue el primer tipo de almacenamiento en estado sólido ampliamente adoptado en aplicaciones automotrices. Desplegado extensamente en teléfonos móviles, esta tarjeta de memoria no extraíble está soldada a una placa de circuito, lo que la hace segura frente a vibraciones constantes. El eMMC sigue siendo una opción viable para almacenar datos relacionados con muchas aplicaciones de navegación y entretenimiento, incluidas la radio satelital, mapas en 3D, monitoreo de tráfico e información meteorológica.

La aparición de la interfaz UFS ha desplazado a eMMC en diseños automotrices más recientes, ya que fue desarrollada específicamente como un reemplazo de alto rendimiento para eMMC. Ofrece una interfaz más rápida, mayor densidad, mejor eficiencia energética y un rendimiento superior en lecturas y escrituras en comparación con eMMC. UFS también proporciona tiempos de arranque rápidos, lo que permite que los sistemas se inicien tan rápido como el tiempo que toma al conductor girar la llave en el encendido.

Las crecientes necesidades computacionales en el diseño automotriz han llevado los requisitos de almacenamiento de datos aún más lejos en términos de rendimiento y capacidad de almacenamiento. Esto ha conducido a la adopción de almacenamiento NAND flash de mayor capacidad en forma de SSD completamente desarrollados de grado automotriz, lo que significa que están diseñados para manejar un rendimiento y capacidades equivalentes a los de nivel empresarial, mientras soportan rangos extremos de temperatura. Las mayores capacidades también permiten la consolidación del almacenamiento dentro del sistema automotriz, reduciendo así la cantidad total de dispositivos de almacenamiento requeridos. Los SSD de grado automotriz están migrando de SATA a la interfaz PCIe NVMe a medida que se venden más vehículos con capacidades avanzadas de conducción autónoma. Estos requieren hasta 1TB de almacenamiento flash para mapas en 3D, contenido de infotainment en 4K, datos de sensores y grabaciones de caja negra, todo lo cual aumenta la demanda de mayor ancho de banda, menor latencia y mayor capacidad.

Soluciones de memoria prácticas para aplicaciones automotrices

Silicon Motion ofrece una serie de soluciones de memoria NAND completamente integradas e ideales para su uso en aplicaciones automotrices. Están diseñadas para permitir a los fabricantes de vehículos una transición sencilla hacia arquitecturas de próxima generación con funcionalidades avanzadas, mientras cumplen con los estándares aplicables. La familia FerriSSD ofrece almacenamiento PCIe NVMe/SATA/PATA confiable con velocidades de acceso rápidas. Integra tecnología de controlador comprobada en la industria, memoria flash NAND y componentes pasivos para simplificar los diseños automotrices. La gama Ferri-UFS ofrece un controlador flash rico en características, compatible con los últimos estándares UFS2.1/3.1 y memoria flash NAND estándar. Su alto rendimiento en el acceso al almacenamiento, mayor eficiencia energética y facilidad de diseño del sistema lo convierten en una opción ideal para aplicaciones automotrices. Por último, la gama Ferri-eMMC de la compañía cumple totalmente con los estándares JEDEC para los protocolos eMMC 4.5/5.0/5.1. Las tres familias de soluciones NAND también ofrecen una amplia gama de características para garantizar que el diseño general del sistema sea lo más simple posible, incluyendo:

Los controladores son "el cerebro" de la memoria flash NAND

Los dispositivos de almacenamiento NAND flash para aplicaciones automotrices deben adaptarse a las funciones presentes en los vehículos modernos, y esto se logra principalmente gracias a la tecnología del controlador NAND diseñada específicamente para aplicaciones automotrices. El controlador NAND es, esencialmente, el "cerebro" de un dispositivo de almacenamiento, ya que desempeña un papel fundamental en la optimización de las diversas tecnologías de almacenamiento NAND flash para aplicaciones automotrices, garantizando el desempeño, la fiabilidad, la seguridad, así como el soporte para las distintas tecnologías de NAND flash 3D.

Los controladores eMMC, UFS y SSD comparten muchas capacidades similares a las de los controladores utilizados en otras aplicaciones. Sin embargo, los controladores utilizados en automoción suelen fabricarse mediante un proceso automotriz por las fábricas de semiconductores, soportan temperaturas extendidas, presentan una baja tasa de Partes Defectuosas Por Millón (DPPM) y están diseñados teniendo en cuenta el cumplimiento del estándar ASPICE.

Ya sea solo un controlador o un dispositivo de almacenamiento completo, cualquier producto de flash de grado automotriz debe demostrar que ha sido sometido a pruebas rigurosas para cumplir con las calificaciones esperadas por los fabricantes de automóviles, incluyendo el cumplimiento de AEC-Q100, ISO 9000/9001 y la certificación ISO26262.

Los diseños automotrices están evolucionando para adaptarse a los vehículos autónomos y eléctricos modernos, y lo mismo ocurre con los sistemas de almacenamiento respectivos. Dado que los dispositivos NAND flash se integran en los vehículos modernos de diversas maneras para soportar una amplia gama de aplicaciones, los fabricantes de automóviles esperan que los dispositivos de almacenamiento NAND elegidos ofrezcan el rendimiento y la fiabilidad necesarios, con una retención de datos que coincida con la vida útil del vehículo. Como ejemplo práctico, los controladores SSD PCIe NVMe de grado automotriz de Silicon Motion incluyen todas las características mencionadas anteriormente y además ofrecen capacidad SR-IOV integrada para virtualizar recursos de red, permitiendo que un solo SSD se comparta entre hasta ocho funciones diferentes. Esto reduce costos al mismo tiempo que mejora el rendimiento y la capacidad de la red.

Resumen

Con la transición a la energía eléctrica y la conducción autónoma avanzando a toda velocidad, la memoria NAND ofrece la única solución de almacenamiento que es lo suficientemente rápida, resistente y segura para las nuevas arquitecturas implementadas para incluir las funciones necesarias en los vehículos del futuro. La industria automotriz ya se encuentra en el proceso de migración hacia la memoria NAND debido a que su precio ha disminuido y sus capacidades han aumentado. Esta migración no tiene por qué ser complicada, ya que las soluciones disponibles actualmente integran las múltiples características necesarias para una solución de almacenamiento completa en un solo paquete. Proveedores confiables, como Silicon Motion, cuentan con un sólido portafolio de soluciones de almacenamiento flash y controladores diseñados específicamente para optimizar aplicaciones de entretenimiento, navegación, ADAS y conducción autónoma, además de estar preparadas para el futuro y respaldar la evolución del centro de datos sobre ruedas.