自動運転および電動自動車向けのSilicon Motion NANDメモリソリューション

市場コンテキスト

自律走行車および電動車両への移行、さらにそれに伴う集中型車両アーキテクチャへの移行には、成功を収めるために高性能、高帯域幅、安定性、セキュアなメモリが必要です。

現在の調査によると、2025年までに約9,000万台の車両がセンサーからデータを収集し、オンラインで利用可能にすると予測されています。今日の車両は、多くの高度な「インフォテインメント」機能を単一のコックピットダッシュボードに集約しています。これらの画面はドライバーにエンターテインメントを提供しつつ、安全を確保するための重要な情報を提供し、ドライビングを支援することさえあります。画面はますます大型化しており、音楽、ビデオ、さらには乗客向けのゲームをストリーミングするものもあり、GPSは他の先進運転支援システム（ADAS）とともに車両に直接組み込まれています。多くのADAS機能はセンサー、カメラ、レーダー、ライダーからデータを収集します。各機能に必要なデータ量は少ない場合がありますが、全体的には蓄積されます。

自律性は、たとえ部分的なものであっても、多くのデータを混在させます。車線維持、自動ブレーキング、適応型クルーズコントロールなどのADAS機能はデータ依存型の機能であり、人間の介入を全く必要としない完全自律走行は、自動意思決定が行われるためのデータを必要とします。

接続性は、車両のデータストレージ要件を引き上げる要因にもなっています。Wi-Fiであれ5Gであれ、接続性により車載ソフトウェアのアップグレードが簡単になります。ソフトウェアのアップグレードが簡単になることで、新しい機能、バグ修正、セキュリティパッチの形で車両に追加される可能性が高まります。

現代の車両には、リモートアクセス可能になる可能性のある多くの診断機能も装備されています。商用航空機のように、自動車にも事故中やその直前の出来事を記録するブラックボックスがあります。ステアリング入力、車両へのGフォース、速度、テレメトリ、さらにはビデオやオーディオなどのデータを記録するためのストレージが必要です。大容量で突発的なデータのバーストがデバイスに短時間で書き込まれる必要があるため、ストレージの要件はより具体的になります。そのストレージデバイスは、深刻な衝撃や火災、水害にも耐えられる耐久性が必要です。

インテリジェント車両のアーキテクチャにおける主要な設計トレンドは、多くのコンピューティング機能を統合することです。これにより、ストレージが車両の機能におけるさまざまなアプリケーションに対応できるようになる一方で、どの機能が優先されるべきかを判断できる十分なスマートさを備えています。例えば、自律的な機能とエンターテインメントアプリケーションが同じストレージプールを共有する場合があります。

アーキテクチャ

電動化および自律走行車両への移行により、メーカーは車両の設計哲学全体を再考することを余儀なくされています。これまで、車両内のほぼすべての機能は、それぞれ専用のECU（電子制御ユニット）を使用して測定や動作を実行していました。これらのECUのそれぞれは、他のどのECUとも自由に通信する必要があります。しかし、ADASのような高度な機能や特徴の導入により、車両を動作させるために必要なECUの数が劇的に増加し、それに伴い生成されるデータに対する帯域幅の必要性も急増しています。

ECUの数の増加は、当然そのECUを製造するために必要な部品の数の増加を引き起こし、それが結果として車両システムの複雑さとコストの両方を増加させています。さらに電気自動車の場合においては、電気システムを実装するために必要なECUや配線の追加の重量が、車両の航続距離に実際的な負の影響を及ぼします。

車両のすべての新しい機能は、大量のデータを生成、処理、および保存することに依存しています。これらの車両の製造業者は、そのデータを処理するための最良の方法として集中化されたソリューションを求めています。各機能に専用のECU（電子制御ユニット）がある状態から、設計は単一のECUに進化し、例えば車両の単一の物理領域内のすべての機能を担当するようになっています。これらの多機能ECUは中央ゲートウェイによって制御されます。やがてその中央ゲートウェイがさらに多くのタスクを引き受け、外部のECUを減らしていき、最終的には非常に高性能な中央コンピュータで制御される数個のリモートECUのみが残ることになります。この移行の成功はメモリーに依存しています。より多くの機能が少数のECUに統合されるに伴い、ECUはより高速で高性能である必要があり、メモリーは複数の機能によって共有されます。中央ゲートウェイや他のECUは、必要なデータをストレージからタイムリーにアクセスできる必要があります。特にミッションクリティカルなアプリケーションの場合、ストレージは信頼性が求められます。それは安全である必要があり、車両自体の寿命に見合った耐久性を持つ必要もあります。

組み込みコンピューティング市場のもう一つの要因は、産業用PC (IPC) ベンダーがCOM製品ラインからの収益を抑制しかねない莫大な競争圧力に直面していることです。利益を上げたり維持したりするために、IPCメーカーは、かつては外付けのプラグインデバイスであったコンポーネントをCOMボード内に組み込むことで価値を付加する製品の統合に多大な努力を注いでいます。ストレージは、組み込みコンピューティングシステムの最も重要なオンボード要素の1つであり、IPCベンダーは常に

ソリューション

処理および保存しなければならないデジタルデータの量がますます増加する中で、自動車システム設計者は、質量保存装置としての信頼性や広い温度範囲への耐性、そして小型ながら大容量を実現するという理由から、回転媒体よりもNANDフラッシュデバイスを好むようになっています。NANDフラッシュストレージデバイスは、容量要件、低遅延、および性能に対応するために、高速な読み書き速度と高いデータスループットを提供する必要があります。この統合にもかかわらず、自律走行車や電気車両の要求に応じたデータストレージのニーズを満たすために、さまざまな種類のNANDストレージが存在するでしょう。

自動車向けのグレード基準を満たすことに加えて、記憶装置は車両が道路上にある限り使用できる耐久性が求められます。組み込み型マルチメディアカード（eMMC）、ユニバーサルフラッシュストレージ（UFS）、およびソリッドステートドライブ（SSD）などのNANDフラッシュストレージソリューションは、その性能、信頼性、耐久性、およびセキュリティの観点から、自動車メーカー、ティア1システム設計者、その他の自動車サプライチェーンにおける主要な関係者によって積極的に採用されています。

現代の自動車設計におけるNANDストレージ

NANDフラッシュがまだかなり高価で、現在のような密度やコスト構造を達成していなかった頃、回転媒体を使用するハードドライブは車内データ保存に最適なソリューションと見なされていました。車載グレードのハードドライブは、極端な温度変化や振動に対応し、さらに重力の200倍以上の衝撃にも耐えるよう設計されていました。また、小さいスペースで大量のデータを保存できることを考慮すると、費用対効果が高いものでした。しかし、ハードドライブは比較的アクセス時間が遅く、また衝撃や振動による故障が発生しやすいという欠点があります。

しかし、NANDフラッシュのコストが下がり、ソリッドステートストレージの設計が成熟するにつれて、それはより理にかなうものとなり、回転式メディアに取って代わるようになりました。NANDストレージがハードドライブに比べて明確な利点を持つ点は、可動部品がないため、衝撃や振動による故障の可能性が少ないということです。NANDストレージはハードドライブよりもはるかに高速であり、自動車用途での極端な温度範囲にも対応できます。

NANDフラッシュは、現代の車両内に多様な形で利用され、多くのアプリケーションをサポートしています。車両内で使用されるNANDフラッシュストレージの種類は、アプリケーションの性能と容量要件に依存します。CompactFlashやSecure Digitalカードは、デジタル地図やダッシュカメラといった自動車アプリケーションにおいて柔軟な選択肢として活用されています。これらのリムーバブルストレージタイプは、アフターマーケットコンテンツのアップグレードや取得の柔軟性を可能にします。

NANDフラッシュの利点

eMMC形式のNANDストレージは、自動車用途で広く採用された最初のタイプのソリッドステートストレージでした。モバイルフォンで広く使用されているこの取り外し不可能なメモリカードは、基板に直接はんだ付けされており、絶え間ない振動に対して安全性を保っています。eMMCは、衛星ラジオ、3Dマップ、交通監視、天気情報を含む多くのナビゲーションおよびインフォテインメントアプリケーションに関連するデータを保存するための有効な選択肢であり続けています。

UFSインターフェースの登場により、新しい自動車設計においてeMMCの代わりとして採用されるようになりました。それはeMMCの高性能な代替品として特に開発されたものです。UFSは、eMMCと比較して高速なインターフェース、高い密度、優れた電力効率、および読み書きの際の高い性能を提供します。また、UFSは迅速な起動時間を実現し、運転者がイグニッションキーを回すのにかかる時間と同じくらい速くシステムを開始することができます。

自動車設計における計算需要の増加により、データストレージの性能と容量要件がさらに高まっています。これにより、自動車用途向けに設計された高容量NANDフラッシュストレージ、つまりフル機能のSSDの採用が進んでいます。これらのSSDは、エンタープライズ相当の性能と機能を持ちながら、極端な温度範囲に対応できるよう設計されています。大容量化により、自動車システム内のストレージを統合し、必要なストレージデバイスの全体数を削減することが可能になります。自動車用途向けSSDは、より高度な自律走行機能を備えた車両が増えるに従って、SATAからPCIe NVMeインターフェースへと移行しています。これらは、3Dマップ、4Kインフォテインメントコンテンツ、センサーデータ、ブラックボックス記録のために最大1TBものフラッシュストレージを必要とし、これらすべてがさらなる帯域幅、遅延、および容量への需要を増大させています。

自動車用途向けの実用的なメモリーソリューション

Silicon Motionは、自動車用途に理想的で完全に統合された多くのNANDメモリソリューションを提供しています。これらは、先進的な機能を備えた次世代アーキテクチャへの移行を車両メーカーが容易に行えるよう設計されており、該当する基準にも準拠しています。FerriSSDファミリーは、信頼性の高いPCIe NVMe/SATA/PATAストレージを高速アクセスで提供します。業界実績のあるコントローラ技術、NANDフラッシュ、およびパッシブコンポーネントを統合し、車載設計を簡素化します。Ferri-UFSシリーズは、最新のUFS2.1/3.1規格に準拠した多機能フラッシュコントローラと標準のNANDフラッシュメモリを提供します。その高性能なストレージアクセス、優れた電力効率、システム設計の容易さにより、自動車用途に最適です。さらに、同社のFerri-eMMCシリーズは、eMMC 4.5/5.0/5.1プロトコルに関するJEDEC規格に完全準拠しています。これら3つのNANDソリューションファミリーは、全体的なシステム設計を可能な限りシンプルにするための幅広い機能も提供しており、以下を含みます:

コントローラーはNANDフラッシュの「頭脳」です

自動車向けアプリケーション用のNANDフラッシュストレージデバイスは、現代の車両に見られる機能に合わせて設計される必要がありますが、これは主に自動車向けアプリケーションを考慮して設計されたNANDコントローラ技術によって可能になります。NANDコントローラはストレージデバイスの実質的な「頭脳」であり、性能、信頼性、セキュリティを確保するとともに、さまざまな3D NANDフラッシュ技術をサポートすることで、自動車向けアプリケーションにおけるNANDフラッシュストレージを最適化する鍵となる役割を果たします。

eMMC、UFS、およびSSDコントローラは、他のアプリケーション用のコントローラと多くの同じ機能を共有しています。しかし、自動車用途に使用されるコントローラは、通常、半導体ファウンドリによって自動車対応プロセスで製造されており、拡張温度範囲をサポートし、低いDPPM（Defected Parts Per Million）を示し、ASPICE標準への準拠を考慮して設計されています。

コントローラー単体であれ、完全なストレージデバイスであれ、自動車向けグレードのフラッシュ製品は、自動車メーカーが求める資格を満たすための厳格な試験を受けていることを示す必要があります。これには、AEC-Q100準拠、ISO 9000/9001、およびISO26262認証が含まれます。

自動車設計は、最新の自律走行車両やEVの進化に伴い進化しており、それに応じて関連するストレージシステムも進化しています。NANDフラッシュは、多くの用途をサポートするために現代の車両にさまざまな形で組み込まれており、自動車メーカーは選択するNANDストレージデバイスに車両の寿命と一致するデータ保持能力を備えた性能と信頼性を期待します。具体的な例として、Silicon Motionの自動車グレードPCIe NVMe SSDコントローラは、上記のすべての特徴を備えており、さらにネットワークリソースを仮想化するための組み込み型SR-IOV機能を提供します。この機能により、単一のSSDを最大8つの異なる機能で共有することが可能となり、コストを削減しながらネットワークの性能とスループットを向上させます。

サマリー

電力化と自動運転への移行が急速に進む中、NANDメモリは、次世代車両に必要な機能を取り入れるための新しいアーキテクチャにおいて、迅速で堅牢かつ安全な唯一のストレージソリューションを提供します。自動車業界はすでに、NANDメモリの価格が低下し、その性能が向上したことから、NANDメモリへの移行を進めています。この移行は難しいものではなく、現在利用可能なソリューションには、完全なストレージソリューションに必要な多くの機能が1つのパッケージに統合されています。Silicon Motionのような信頼できるベンダーは、インフォテインメント、ナビゲーション、ADAS、自動運転アプリケーションをサポートするために最適化されたカスタマイズされたフラッシュストレージおよびコントローラーソリューションの堅牢なポートフォリオを持ち、車輪上のデータセンターの進化をサポートする将来性も備えています。