Soluzioni di memoria NAND Silicon Motion per applicazioni automobilistiche autonome ed elettriche

Contesto di mercato

La migrazione verso veicoli autonomi ed elettrici, insieme alla conseguente transizione a un'architettura veicolare centralizzata, richiede una memoria ad alte prestazioni, ad alta larghezza di banda, stabile e sicura per avere successo.

Secondo una ricerca attuale, circa 90 milioni di automobili raccoglieranno dati dai sensori e li renderanno disponibili online entro il 2025. I veicoli di oggi combinano molte funzionalità avanzate di "infotainment" in un unico cruscotto della cabina di pilotaggio — schermi che intrattengono e forniscono informazioni essenziali al conducente per garantire la sicurezza e persino aiutarlo nella guida. Gli schermi stanno diventando sempre più grandi; alcuni trasmettono musica, video e persino giochi per i passeggeri, e il GPS è integrato direttamente nel veicolo insieme ad altri Sistemi Avanzati di Assistenza alla Guida (ADAS). Molte funzioni ADAS raccolgono dati da sensori, telecamere, radar e lidar. Sebbene la quantità di dati per ciascuna funzione possa essere limitata, si accumula nel complesso.

L'autonomia, anche se solo parziale, aggiunge una grande quantità di dati al mix. Le funzionalità ADAS, come il mantenimento della corsia, la frenata automatica e il cruise control adattivo, sono caratteristiche che dipendono dai dati, e la guida completamente autonoma che non richiede alcun intervento umano richiederà dati affinché avvenga il processo decisionale automatico.

La connettività sta anche aumentando i requisiti di archiviazione dei dati nei veicoli. Che si tratti di Wi-Fi o 5G, la connettività rende più semplice aggiornare il software di bordo. Quando il software diventa più facile da aggiornare, è più probabile che venga aggiunto a un veicolo sotto forma di nuove funzionalità, correzioni di bug e patch di sicurezza.

Il veicolo moderno è anche dotato di numerose capacità diagnostiche che potrebbero diventare accessibili da remoto. Come un aeroplano commerciale, le automobili hanno le proprie scatole nere per registrare ciò che accade durante un incidente e i momenti che lo precedono. È necessario spazio di archiviazione per catturare dati come input del volante, forze G sull'auto, velocità, telemetria e persino video e audio. I requisiti di archiviazione diventano più specifici poiché una grande e improvvisa quantità di dati deve essere scritta rapidamente sul dispositivo. Tale dispositivo di archiviazione deve essere abbastanza resistente da sopravvivere a un impatto grave, e persino ai danni causati dal fuoco o dall'acqua.

Una tendenza chiave nel design dell'architettura dei veicoli intelligenti è la consolidazione di molte capacità di elaborazione, affinché lo spazio di archiviazione possa servire a una varietà di applicazioni nelle funzioni dei veicoli, pur essendo abbastanza avanzato da sapere cosa ha la priorità. Ad esempio, le funzioni autonome e le applicazioni di intrattenimento potrebbero condividere lo stesso pool di archiviazione.

Architettura

Il passaggio verso veicoli elettrificati e autonomi ha costretto i produttori a ripensare completamente la filosofia di progettazione dei veicoli. Fino ad ora, quasi ogni funzione del veicolo aveva la propria ECU per effettuare misurazioni e intraprendere azioni. Ognuna di queste ECU doveva anche comunicare liberamente con qualsiasi altra ECU. Tuttavia, l'introduzione di funzioni e caratteristiche avanzate, come l'ADAS, ha fatto sì che il numero di ECU necessarie per il funzionamento di un veicolo sia aumentato drasticamente, insieme alla larghezza di banda richiesta per i dati generati.

Questo aumento nel numero di ECU porta naturalmente a un incremento del numero di componenti necessari per fabbricare tali ECU, il che, a sua volta, ha comportato un corrispondente aumento della complessità dei sistemi dei veicoli, oltre che del loro costo. Ancora peggio per i veicoli elettrici, il peso aggiuntivo delle ECU e del cablaggio necessario per implementare il sistema elettrico ha un impatto negativo reale sull'autonomia del veicolo.

Tutte le nuove funzionalità nei veicoli si basano sulla produzione, elaborazione e archiviazione di vaste quantità di dati. I produttori di questi veicoli vedono in una soluzione centralizzata il modo migliore per gestire tali dati. Dall'avere ECU separate per ciascuna funzione, i progetti stanno migrando verso l'adozione di un'unica ECU per gestire più compiti, ad esempio per essere responsabile di tutte le funzioni in un'unica area fisica del veicolo. Queste ECU multifunzione sono poi controllate da un gateway centrale. Col tempo, quel gateway centrale assumerà più compiti, eliminando ulteriori ECU periferiche fino a quando ne rimarranno solo poche, controllate da un computer centrale molto potente. Il successo di questa transizione si basa sulla memoria. Man mano che più funzionalità vengono consolidate in un numero minore di ECU, queste ECU devono essere più veloci e più potenti, e la memoria è condivisa tra più funzioni. Il gateway centrale e qualsiasi altra ECU devono essere in grado di accedere ai dati di cui hanno bisogno dall'archiviazione in modo tempestivo. L'archiviazione deve essere affidabile, soprattutto nel caso di applicazioni critiche per la missione. Deve essere sicura e avere una durata in linea con quella del veicolo stesso.

Un altro fattore nel mercato dell'informatica embedded è che i fornitori di PC industriali (IPC) affrontano una pressione competitiva enorme, che rischia di ridurre i loro ricavi dalle linee di prodotti COM. Per aumentare o mantenere il profitto, i produttori di IPC dedicano grande impegno all'integrazione di prodotti che aggiungono valore, anche attraverso l'inserimento, sulla scheda COM, di componenti che precedentemente potevano essere dispositivi esterni o plug-in. Lo storage è uno degli elementi più vitali a bordo di un sistema informatico embedded: i fornitori di IPC sono sempre

Soluzioni

Le quantità sempre crescenti di dati digitali che devono essere elaborati e archiviati implicano che i progettisti di sistemi automobilistici preferiscano ora i dispositivi NAND flash rispetto ai supporti rotazionali per l'archiviazione di massa, grazie alla loro affidabilità, tolleranza a un'ampia gamma di temperature e grandi capacità in formati compatti. Qualsiasi dispositivo di archiviazione NAND flash deve soddisfare le esigenze di capacità, bassa latenza e prestazioni offrendo velocità elevate di lettura e scrittura e un throughput dati elevato. Nonostante questa consolidazione, ci sarà una varietà di diversi tipi di archiviazione NAND per supportare le richieste di archiviazione dati necessarie nei veicoli autonomi ed elettrici.

Oltre a soddisfare le qualifiche di grado automobilistico, si prevede che i dispositivi di archiviazione durino per tutto il tempo in cui il veicolo è su strada. Le soluzioni di archiviazione NAND flash, come Embedded Multimedia Card (eMMC), Universal Flash Storage (UFS) e Solid-State Drives (SSD), vengono rapidamente adottate dai produttori di automobili, dai progettisti di sistemi di livello 1 e da altri importanti attori della catena di fornitura automobilistica per considerazioni relative a prestazioni, affidabilità, longevità e sicurezza.

Archiviazione NAND nei moderni progetti automobilistici

Quando la memoria NAND flash era ancora piuttosto costosa e non aveva raggiunto i livelli di densità e le strutture di costo che vediamo oggi, i dischi rigidi con supporti rotazionali erano considerati la soluzione migliore per l'archiviazione dei dati nelle automobili. I dischi rigidi di grado automobilistico erano progettati per gestire estremi di temperatura e vibrazioni, oltre a resistere a carichi di shock fino a 200 volte la forza di gravità e oltre. Inoltre, erano economici rispetto alla quantità di dati che potevano archiviare in uno spazio ridotto. Tuttavia, i dischi rigidi hanno tempi di accesso relativamente lenti e sono soggetti a guasti dovuti a shock e vibrazioni.

Ma con il calo dei costi della memoria flash NAND e la maturazione dei progetti di archiviazione a stato solido, questi hanno iniziato ad avere più senso e a sostituire i media rotazionali. Un vantaggio evidente dello storage NAND rispetto ai dischi rigidi è l'assenza di parti mobili, che lo rende meno soggetto a guasti dovuti a urti e vibrazioni. Lo storage NAND è anche molto più veloce di un disco rigido e può gestire le ampie gamme di temperature estreme delle applicazioni automobilistiche.

La memoria NAND flash si integra nei veicoli moderni in numerosi modi per supportare molteplici applicazioni; il tipo di memoria NAND flash presente nel veicolo dipende dai requisiti di prestazione e capacità dell'applicazione. Le schede CompactFlash e Secure Digital rimangono opzioni flessibili per applicazioni automobilistiche come mappe digitali e dash cam. Questi tipi di memoria removibile offrono la flessibilità di aggiornamento e recupero dei contenuti aftermarket.

Vantaggi della NAND Flash

Lo storage NAND sotto forma di eMMC è stato il primo tipo di memoria a stato solido ampiamente adottato nelle applicazioni automobilistiche. Diffusamente utilizzata nei telefoni cellulari, questa scheda di memoria non rimovibile è saldata su una scheda circuitale, rendendola sicura contro le vibrazioni costanti. L'eMMC continua a essere una scelta valida per memorizzare dati relativi a numerose applicazioni di navigazione e infotainment, incluse radio satellitare, mappe 3D, monitoraggio del traffico e informazioni meteorologiche.

La comparsa dell'interfaccia UFS ha visto quest'ultima soppiantare l'eMMC nei nuovi progetti automobilistici, poiché è stata sviluppata appositamente come sostituto ad alte prestazioni dell'eMMC. Offre un'interfaccia più veloce, una maggiore densità, una migliore efficienza energetica e prestazioni superiori per le operazioni di lettura e scrittura rispetto all'eMMC. UFS garantisce anche tempi di avvio rapidi, permettendo ai sistemi di avviarsi velocemente, tanto quanto serve al conducente per girare la chiave d'accensione.

Le sempre maggiori esigenze computazionali nel design automobilistico hanno spinto ulteriormente i requisiti di archiviazione dati in termini di prestazioni e capacità di memoria. Questo ha portato all'adozione di memorie NAND flash di maggiore capacità sotto forma di SSD completi di classe automobilistica, progettati per gestire prestazioni e capacità equivalenti a quelle aziendali, supportando al contempo intervalli di temperatura estremi. Le capacità maggiori consentono anche di consolidare l'archiviazione all'interno del sistema automobilistico, riducendo il numero complessivo di dispositivi di archiviazione richiesti. Gli SSD di classe automobilistica stanno passando dall'interfaccia SATA a quella PCIe NVMe, dato che vengono venduti sempre più veicoli dotati di capacità avanzate di guida autonoma. Necessitano fino a 1TB di memoria flash per mappe 3D, contenuti di infotainment in 4K, dati dei sensori e registrazione da "scatola nera", tutti fattori che incrementano le esigenze di larghezza di banda, latenza e capacità.

Soluzioni di memoria pratiche per applicazioni automobilistiche

Silicon Motion offre una serie di soluzioni di memoria NAND completamente integrate e ideali per l'uso in applicazioni automobilistiche. Sono progettate per consentire ai produttori di veicoli di passare facilmente alle architetture di nuova generazione con funzionalità avanzate, rispettando gli standard applicabili. La famiglia FerriSSD fornisce uno storage PCIe NVMe/SATA/PATA affidabile con velocità di accesso elevate. Integra tecnologia controller collaudata nel settore, flash NAND e componenti passivi per semplificare i design automobilistici. La gamma Ferri-UFS offre un controller flash ricco di funzionalità, conforme agli ultimi standard UFS2.1/3.1 e alle memorie flash NAND standard. La sua capacità di accesso allo storage ad alte prestazioni, la migliore efficienza energetica e la facilità di progettazione del sistema lo rendono ideale per le applicazioni automobilistiche. Infine, la gamma Ferri-eMMC dell’azienda è completamente conforme agli standard JEDEC per i protocolli eMMC 4.5/5.0/5.1. Le tre famiglie di soluzioni NAND offrono anche una vasta gamma di funzionalità per garantire che la progettazione complessiva del sistema sia il più semplice possibile, includendo:

I controller sono "il cervello" della memoria flash NAND

I dispositivi di archiviazione flash NAND per applicazioni automobilistiche devono essere adattati alle funzioni presenti nei veicoli moderni, e ciò è principalmente reso possibile dalla tecnologia del controller NAND progettata pensando alle applicazioni automobilistiche. Il controller NAND è fondamentalmente il "cervello" di un dispositivo di archiviazione, poiché svolge un ruolo chiave nell'ottimizzazione delle varie memorie flash NAND per applicazioni automobilistiche, garantendo prestazioni, affidabilità, sicurezza e supportando le diverse tecnologie 3D NAND flash.

I controller eMMC, UFS e SSD condividono molte delle stesse capacità dei controller per altre applicazioni. Tuttavia, i controller utilizzati per il settore automobilistico sono generalmente prodotti con un processo automobilistico dai fonitori di semiconduttori, supportano temperature estese, presentano un basso numero di Parti Difettose Per Milione (DPPM) e sono progettati tenendo conto della conformità agli standard ASPICE.

Sia che si tratti solo di un controller o di un dispositivo di archiviazione completo, qualsiasi prodotto flash di livello automobilistico deve dimostrare di aver superato test rigorosi per soddisfare le qualifiche richieste dai produttori di automobili, inclusa la conformità AEC-Q100 e le certificazioni ISO 9000/9001 e ISO26262.

I design automobilistici si stanno evolvendo per i veicoli autonomi e elettrici moderni e, di conseguenza, anche i rispettivi sistemi di archiviazione. Poiché la memoria NAND flash trova la sua applicazione nei veicoli moderni in svariati modi per supportare molteplici applicazioni, i produttori automobilistici si aspettano che il dispositivo di archiviazione NAND scelto offra le prestazioni e l'affidabilità necessarie, con una capacità di ritenzione dei dati adeguata alla durata del veicolo. Un esempio pratico è rappresentato dai controller SSD PCIe NVMe di grado automobilistico di Silicon Motion, che includono tutte le caratteristiche sopra menzionate e offrono anche la capacità SR-IOV integrata per virtualizzare le risorse di rete, consentendo a un singolo SSD di essere condiviso tra fino a otto funzioni differenti, riducendo i costi e aumentando al contempo le prestazioni e la capacità di trasmissione della rete.

Riepilogo

Con la transizione verso la propulsione elettrica e la guida autonoma che avviene a pieno ritmo, la memoria NAND offre l'unica soluzione di archiviazione sufficientemente veloce, resistente e sicura per le nuove architetture progettate per ospitare le funzionalità necessarie per i veicoli del futuro. L'industria automobilistica è già nel processo di migrazione verso la memoria NAND grazie alla diminuzione dei prezzi e all'aumento delle sue capacità. Questa migrazione non deve essere complicata poiché le soluzioni attualmente disponibili integrano le numerose caratteristiche richieste per una soluzione di archiviazione completa in un unico pacchetto. Fornitori affidabili, come Silicon Motion, dispongono di un portafoglio robusto di soluzioni di archiviazione flash personalizzate e controller ottimizzati per supportare applicazioni di infotainment, navigazione, ADAS e guida autonoma, oltre a essere progettati per il futuro al fine di sostenere l'evoluzione del "data center su ruote".