Consolidamento della memoria e dell'archiviazione nei sistemi di infotainment per autoveicoli

10 gen 2023

Le capacità di memoria e di archiviazione dati dei sistemi automobilistici stanno aumentando rapidamente, sotto la spinta di una miriade di sistemi di infotainment, man mano che il settore fa passi avanti sulla strada della piena autonomia. Il consumo energetico è già di per sé un motivo sufficiente per razionalizzare e consolidare, laddove possibile, ma è necessario prestare la massima attenzione alle operazioni mission-critical, che devono rimanere una priorità.

Il consolidamento della memoria e dell'archiviazione si estende anche alle numerose unità di controllo elettronico (ECU) distribuite nei veicoli. I sistemi automobilistici si rifanno ad altre architetture informatiche, inclusi smartphone, Internet of Things (IoT) e data center per trarre ispirazione dalle tecnologie esistenti, che possono essere più integrate per soddisfare i requisiti delle applicazioni automobilistiche, affrontando al contempo i problemi di consumo energetico e garantendo un'affidabilità elevata.

Esiste un delicato equilibrio tra i sistemi automobilistici segmentati, necessari per proteggere i sistemi di guida da qualsiasi interferenza, e la crescente necessità di un'architettura che colleghi l'elaborazione e la memoria per supportare una "cabina di pilotaggio digitale" per il conducente.

I cruscotti basati sui dati richiedono più archiviazione e memoria

I cruscotti degli autoveicoli hanno fatto molta strada da quando i lettori di cassette erano il massimo tra gli optional: anche la novità della connettività Bluetooth e USB è passata da tempo. I sistemi di infotainment si stanno evolvendo rapidamente per offrire un'esperienza più coinvolgente sia per i conducenti che per i passeggeri e questo determina un aumento della quantità di contenuti elettronici, incluse la memoria e l'archiviazione.

Una parte fondamentale degli attuali sistemi di infotainment per autoveicoli è rappresentata dai sistemi avanzati di assistenza alla guida (ADAS), inclusa la maggiore diffusione della telecamera posteriore di serie sui veicoli. Anche senza un'autonomia elevata, il veicolo è dotato di una grande quantità di funzioni informatiche che contribuiscono alla navigazione e alla sicurezza, oltre a fornire l'intrattenimento.

I sistemi di infotainment odierni si trovano in ogni parte del veicolo e si dividono in quattro categorie:

Quadro strumenti digitale. Oltre alla consueta strumentazione del cruscotto, come il tachimetro, oggi il quadro strumenti è completamente digitale e adotta schermi ad alta risoluzione sempre più personalizzabili dal conducente e include la telemetria del veicolo e mappe su schermi secondari.
Unita principale. Qui vengono ospitate tutte le moderne funzionalità del veicolo per i passeggeri dei sedili anteriori: anziché con un lettore di cassette, la radio è integrata con applicazioni per auto connesse come Apple CarPlay e Android Auto, GPS integrato e servizi radio satellitari come Sirius XM. Tutte queste funzionalità devono essere immediatamente disponibili quando si gira la chiave dell'accensione.
Head-up display (HUD). L'HUD è un elemento relativamente nuovo nei veicoli, e fornisce informazioni solo al conducente proiettandole su un vetro trasparente situato sopra il volante. Come nel quadro strumenti tradizionale, le informazioni sull'HUD includono velocità, telemetria e mappe.
Unità di intrattenimento per sedili posteriori (RSE). Sono lontani i giorni in cui il passeggero del sedile posteriore era costretto a portare da sé i propri passatempi per i lunghi viaggi. Anziché un walkman o un libro, il passeggero del sedile posteriore ha a disposizione funzioni di intrattenimento integrate che includono opzioni di mirroring di lettori multimediali dedicati di Android Auto e Apple CarPlay.

Tutti questi supporti di infotainment nella sola parte anteriore dell'auto richiedono notevoli prestazioni di calcolo, incluse la memoria e l'archiviazione dei dati, e per una cabina di pilotaggio digitale unificata è necessaria un'architettura che sia consolidata.

Il settore automobilistico ha molte opzioni di memoria e archiviazione

Tutti questi sistemi digitali ricevono informazioni dai dati raccolti da ogni parte del veicolo, incluse le serrature e gli alzacristalli elettrici, in modo che il conducente sappia sempre se c'è qualcosa di aperto o chiuso.

In passato ogni funzione aveva una propria ECU, ma anche per queste la tendenza è al consolidamento: in luogo di una funzione fissa per l'ECU, questa è ora definita dal software. Nel frattempo, anche l'autonomia parziale aggiunge altri dati e funzioni che devono essere supportati da ECU, memoria e archiviazione, incluse le funzioni ADAS come il cruise control adattivo, il mantenimento della corsia e la frenata automatica: tutte informate dai dati dei sensori provenienti da telecamere, radar e LiDAR. Tutta la connettività che fornisce informazioni alle cabine di pilotaggio digitali, che sia Wi-Fi o 5G, agevola anche l'aggiornamento dell'automobile con nuovi software e patch, che a loro volta aumentano i requisiti di memoria e archiviazione.

I dispositivi di memoria e di archiviazione adottati dal settore automobilistico vengono utilizzati perché sono affidabili e facili da comprendere: in questo settore la sicurezza è fondamentale, così come la longevità. La durata di questi dispositivi dev'essere pari al ciclo di vita del veicolo, senza che sia necessario sostituirli. Le capacità e le prestazioni variano notevolmente a seconda dell'applicazione:

Flash NOR. Trattandosi di una memoria non volatile, la flash NOR è ideale per archiviare il codice dell'applicazione e per le attività XIP (execute in place) che bypassano una DRAM esterna consentendo a un processore host di eseguire il codice direttamente dal dispositivo flash NOR. Inoltre, questi dispositivi presentano un avvio rapido che li rende perfetti per il quadro strumenti e i sistemi ADAS: la visualizzazione della telecamera posteriore, infatti, è disponibile non appena si gira la chiave.
RAM ferroelettrica (FRAM). Anche se spesso viene ancora descritta come "emergente", la FRAM è anche una memoria non volatile e potrebbe essere in grado di sostituire la flash NOR per alcune applicazioni. È più adatta per la registrazione dei dati nella maggior parte dei sottosistemi, come la strumentazione del cruscotto, la gestione della batteria, il controllo della stabilità, il gruppo propulsore, i controlli del motore e gli airbag intelligenti.
RAM magnetoresistiva (MRAM). La MRAM è un'altra memoria emergente ed è adatta al settore automobilistico per le sue caratteristiche di non volatilità e affidabilità elevata alle alte temperature. È anche veloce e questo la rende una scelta ideale per i sensori in cui i dati vengono monitorati e scritti in tempo reale.
DRAM a bassa potenza (LPDDR). Già preferita per gli smartphone grazie alla capacità di combinare prestazioni e bassi consumi, la LPDDR soddisfa i requisiti del settore automobilistico per le tecnologie ADAS affidabili che potrebbero utilizzare una DRAM valutata in ai fini della sicurezza funzionale, come ad esempio i sistemi di frenata automatica d'emergenza, il sistema di avviso di deviazione dalla corsia, il cruise control adattivo e i sistemi di rilevamento dei punti ciechi. Il produttore di DRAM Micron Technology ha fatto valutare la conformità dell'hardware LPDDR5 in base al livello di integrità per la sicurezza automobilistica più rigoroso: ASIL D, un sistema di classificazione del rischio definito dalla norma ISO 26262.

Tutte queste memorie sono integrate da vari tipi di archiviazione, si tratta sostanzialmente di vari tipi di flash NAND non volatile.

In fascia bassa è possibile utilizzare formati di memoria flash rimovibili: le schede CompactFlash e Secure Digital sono un'opzione flessibile per le mappe digitali e le dash cam. Anche se non viene più aggiornato, lo standard di interfaccia Embedded MultiMediaCard (eMMC) rimane ampiamente utilizzato in applicazioni automobilistiche come la telematica, l'infotainment e i sistemi ADAS, perché si tratta di una tecnologia collaudata che offre alle case automobilistiche la longevità desiderata. È stata soppiantata dall'Universal Flash Storage (UFS), un'interfaccia che viene aggiornata attivamente, anche se nello spazio embedded. L'eMMC è in grado di soddisfare al meglio le applicazioni a bassa capacità con un profilo energetico più basso.

Sia l'eMMC che l'UFS sono adatte ai sistemi ADAS, all'infotainment di bordo (IVI), ai sistemi telematici e a quelli di guida autonoma. Tuttavia, con l'aumento dei requisiti di capacità per l'infotainment e le applicazioni mission-critical, l'opzione migliore diventa l'SSD e persino l'adozione di nuove interfacce come la Non-Volatile Memory Express (NVMe).

I sistemi consolidati devono dare priorità alla sicurezza e all'affidabilità

Nonostante tutta questa varietà, cresce l'esigenza di un'architettura più consolidata per ridurre la complessità, anche se la cabina di pilotaggio diventa sempre più digitalizzata e consuma sempre più energia.

La natura dell'automobile implica che ci sarà sempre un certo grado di distribuzione di sistemi con più tipi di memoria ed ECU. Tuttavia, la maggiore capacità delle unità SSD permette di consolidare l'archiviazione dei dati per più sistemi in un'unica posizione. La maggiore autonomia e digitalizzazione dell'abitacolo, insieme alla crescita dei dati, comporta la necessità di abbandonare l'architettura frammentata con ECU distribuite andando verso l'adozione di un singolo controller di dominio.

La transizione verso il clustering prevede un'archiviazione più unificata che contiene sia dati mission-critical che contenuti di intrattenimento, anche se segmentati e classificati per priorità. Verrebbero sfruttati pool di dati comuni a vantaggio dell'efficienza: tutte le mappe sono archiviate in un'unica posizione ma vengono utilizzate per applicazioni diverse, analogamente all'architettura di un server, inclusa la virtualizzazione. Due applicazioni diverse possono accedere allo stesso archivio, con priorità per i dati mission-critical che devono essere disponibili e ridondanti. Questo tenendo comunque conto che si corrono dei rischi ad affiancare funzioni ADAS mission-critical nello stesso supporto di archiviazione dati del sistema di intrattenimento di bordo per i bambini.

Piuttosto che aggiungere più funzionalità e capacità in modo frammentario, i progettisti si stanno orientando verso una visione più olistica dell'architettura, che comprende un approccio a un'archiviazione consolidata e centralizzata anziché composta da dispositivi discreti. Le memorie emergenti possono avere casi di utilizzo specifici, ma le tecnologie di archiviazione comprovate come eMMC, UFS e SSD flash combinate con memorie collaudate quali flash NOR, LPDDR e GDDR sono comunque preferibili per qualsiasi sistema automobilistico consolidato che debba bilanciare i costi e l'efficienza con la sicurezza e l'affidabilità.