适用于自动驾驶和电动汽车应用的Silicon Motion NAND存储解决方案

市场背景

向自主驾驶和电动汽车的迁移，以及随之而来的向集中式车辆架构的过渡，需要高性能、高带宽、稳定且安全的存储器才能取得成功。

根据当前的研究，到2025年，大约有九千万辆汽车将通过传感器收集数据并在线提供。目前的车辆将许多先进的“信息娱乐”功能结合在一个驾驶舱控制面板中——这些屏幕既为驾驶员提供娱乐，又提供关键信息，以确保安全，甚至帮助他们驾驶。屏幕越来越大；一些屏幕为乘客播放音乐、视频甚至游戏，GPS也直接内置于车辆中，并配备了其他高级驾驶辅助系统（ADAS）。许多ADAS功能会从传感器、摄像头、雷达和激光雷达中收集数据。尽管每项功能的数据量可能很小，但累计起来却相当可观。

即使是部分自主，也会在系统中增加大量数据。像车道保持、自动刹车和自适应巡航控制这样的高级驾驶辅助系统（ADAS）功能都依赖于数据，而完全无需人工干预的全自动驾驶则需要数据来实现自动决策。

连接性也正在推动车辆上的数据存储需求增长。无论是 Wi-Fi 还是 5G，连接性都使得升级车载软件变得更容易。当软件升级变得更容易时，新功能、漏洞修复和安全补丁更有可能以软件形式添加到车辆上。

现代车辆还配备了大量的诊断功能，这些功能可以实现远程访问。与商用飞机类似，汽车也拥有自己的黑匣子，用于记录事故发生时及此前的时刻所发生的情况。存储设备需要捕获诸如转向输入、汽车承受的重力加速度（G力）、速度、遥测数据，甚至视频和音频等数据。存储需求变得更加具体，因为需要快速将大量突然涌入的数据写入设备。而这种存储设备必须足够坚固，能够在严重撞击中幸存，甚至能够经受住火灾或水损害。

智能车辆架构中的一个关键设计趋势是整合多种计算能力，使存储可以为车辆的各种应用功能服务，同时足够智能以了解何项任务优先。例如，自动驾驶功能和娱乐应用可能会共享同一个存储池。

建筑

向电动化和自动驾驶汽车的转变迫使制造商重新思考车辆设计的整体理念。迄今为止，几乎每个车辆功能都有其专属的ECU（电子控制单元）来执行测量并作出反应。这些ECU还需要能够与其他ECU自由通信。然而，先进功能和特性的引入，例如ADAS（高级驾驶辅助系统），意味着车辆运行所需的ECU数量急剧增加，同时生成的数据所需的带宽也随之增长。

ECU数量的增加自然导致了制造这些ECU所需零部件数量的上升，这 wiederum导致了车辆系统复杂性以及成本的相应增加。对于电动车来说，情况更加糟糕，为实现电气系统所需的ECU和配线的额外重量对车辆的续航里程产生了真正的负面影响。

车辆中的所有新功能都依赖于生成、处理和存储大量数据。这些车辆的制造商认为，集中式解决方案是处理这些数据的最佳方式。从为每个功能配备单独的ECU（电子控制单元），到设计逐步迁移为一个ECU负责多个任务，例如负责车辆某个物理区域内的所有功能。这些多功能ECU随后由一个中央网关控制。随着时间的推移，该中央网关将承担更多任务，减少更多外部ECU，直到仅剩少数几个由一个非常强大的中央计算机控制的远程ECU。这种转变的成功依赖于内存。随着更多功能被整合到更少的ECU中，这些ECU需要更快、更强大，且内存需要被多个功能共享。中央网关以及其他任何ECU必须能够及时访问它们所需的存储数据。存储必须可靠，尤其是在关键任务应用的情况下。存储需要具备安全性，同时还要拥有与车辆寿命相匹配的使用寿命。

嵌入式计算市场中的另一个因素是工业PC（IPC）供应商面临着巨大的竞争压力，这可能会压低其COM产品线的收入。为了提高或维持利润，IPC制造商投入了巨大努力来整合产品，这些产品通过在COM主板上嵌入此前可能是外部插件设备的组件而增加价值。存储是嵌入式计算系统中最重要的板载元素之一：IPC供应商始终

解决方案

需要处理和存储的数字数据量日益增长，这意味着汽车系统设计师现在更倾向于选择 NAND 闪存设备作为大容量存储的首选，而非旋转介质，这是因为 NAND 闪存设备具有更高的可靠性、能够承受更宽的温度范围以及在小型化外形中提供大容量存储的能力。任何 NAND 闪存存储设备都必须满足容量需求、低延迟和性能要求，通过提供快速的读写速度和高数据吞吐量来实现这些目标。尽管如此，为了满足自动驾驶和电动车中所需的数据存储需求，将会有各种不同类型的 NAND 存储设备被采用。

除了满足汽车级别的资质要求外，存储设备还需要在车辆行驶期间保持同样长的使用寿命。诸如嵌入式多媒体卡（eMMC）、通用闪存存储（UFS）和固态硬盘（SSD）这样的 NAND 闪存存储解决方案，因其在性能、可靠性、寿命以及安全性方面的优势，正在被汽车制造商、一级系统设计者和汽车供应链中的其他关键利益相关方广泛采用。

现代汽车设计中的NAND存储

当 NAND 闪存仍然相当昂贵，且尚未达到我们今天看到的存储密度和成本结构时，使用旋转介质的硬盘被视为汽车数据存储的最佳解决方案。汽车级硬盘被设计为能够应对极端温度和振动，并能够承受高达 200 倍重力的冲击负载及更多冲击。鉴于它们能够在有限空间内存储大量数据，这些硬盘的成本也很低。然而，硬盘的访问速度相对较慢，并且容易受到冲击和振动故障的影响。

但是，随着 NAND 闪存成本的下降和固态存储设计的成熟，它们开始显得更加合理并取代旋转介质。相比于硬盘，NAND 存储的一个明显优势是没有活动部件，这使其因冲击和振动而故障的可能性更低。NAND 存储还比硬盘快得多，并且能够应对汽车应用中极端的温度范围。

NAND闪存通过多种方式进入了现代车辆，以支持多种应用；车辆中所使用的NAND闪存类型取决于应用的性能与容量需求。CompactFlash和Secure Digital卡仍然是汽车应用的灵活选择，例如数字地图和行车记录仪。这些可移动存储类型提供了售后内容升级和数据检索的灵活性。

NAND闪存的优点

eMMC形式的NAND存储是首批在汽车应用中被广泛采用的固态存储类型。作为广泛部署于手机中的一种不可拆卸的存储卡，它通过焊接到电路板上，从而能够抵抗持续的震动。eMMC仍然是一种可行的选择，用于存储与导航和信息娱乐应用相关的数据，包括卫星广播、3D地图、交通监控以及天气信息。

UFS接口的出现使其在新型汽车设计中取代了eMMC，因为它是专门开发用于作为eMMC的高性能替代品。与eMMC相比，它提供了更快的接口、更高的密度、更好的能效，以及更高的读写性能。UFS还提供快速启动时间，使系统启动速度与驾驶员转动点火钥匙的时间一样快。

汽车设计对计算需求的不断增加，进一步推动了数据存储在性能和存储容量方面的要求。这导致采用更大容量的NAND闪存存储，以全功能的汽车级SSD形式出现。这些SSD专为处理企业级性能和能力而设计，同时支持极端温度范围。更大的容量还允许在汽车系统中整合存储，从而减少所需存储设备的整体数量。随着更多配备先进自动驾驶功能的车辆上市，汽车级SSD正从SATA接口转向PCIe NVMe接口。它们需要高达1TB的闪存存储空间，用于存储3D地图、4K信息娱乐内容、传感器数据和黑匣子记录，这些都会对带宽、延迟和容量提出更高的需求。

用于汽车应用的实用内存解决方案

慧荣科技提供多种完全集成且非常适合汽车应用的 NAND 存储解决方案。这些解决方案旨在帮助汽车制造商轻松过渡到具有先进功能的下一代架构，同时符合相关标准。FerriSSD 系列提供可靠的 PCIe NVMe/SATA/PATA 存储，具有高速访问性能。它结合了行业验证的控制器技术、NAND 闪存和无源元件以简化汽车设计。Ferri-UFS 系列提供功能丰富的闪存控制器，符合最新的 UFS2.1/3.1 标准以及标准 NAND 闪存。其高性能存储访问、更好的功耗效率和系统设计的简易性，使其成为汽车应用的理想选择。最后，公司开发的 Ferri-eMMC 系列完全符合 JEDEC 标准，支持 eMMC 4.5/5.0/5.1 协议。这三大 NAND解决方案系列还提供广泛的功能，以确保整体系统设计尽可能简单，这些功能包括：

控制器是 NAND 闪存的“大脑”

用于汽车应用的 NAND 闪存存储设备应针对现代车辆中的功能量身定制，而这主要得益于专为汽车应用设计的 NAND 控制器技术。NAND 控制器本质上是存储设备的“大脑”，它在优化各种汽车应用中的 NAND 闪存存储方面发挥了关键作用，通过确保性能、可靠性、安全性以及支持各种 3D NAND 闪存技术来实现这一点。

eMMC、UFS 和 SSD 控制器与用于其他应用的控制器共享许多相同的功能。然而，用于汽车的控制器通常由半导体代工厂采用汽车工艺制造，支持宽温范围，具有较低的不良率（DPPM），并在设计时考虑符合 ASPICE 标准。

无论是仅仅作为控制器，还是作为完整的存储设备，任何汽车级闪存产品都必须证明已通过严格测试，以满足汽车制造商的预期资格要求，包括符合 AEC-Q100 标准，以及通过 ISO 9000/9001 和 ISO 26262 认证。

汽车设计正在随着现代自动驾驶和电动车辆的发展而不断演进，相应的存储系统也在发生变化。由于NAND闪存广泛应用于现代车辆中，支持众多应用，汽车制造商期望所选择的NAND存储设备能够提供所需的性能和可靠性，并具有与车辆寿命相匹配的数据保持能力。以一个实际的例子来说，Silicon Motion（慧荣科技）的汽车级PCIe NVMe SSD控制器不仅具备上述所有特性，还提供了内置的SR-IOV功能，可虚拟化网络资源，使单个SSD能够在多达八种不同功能之间共享，从而降低成本，同时提升网络的性能和吞吐量。

摘要

随着向电力驱动和自动驾驶的全面转型，NAND 存储提供了唯一能够满足新架构需求的存储解决方案，这些架构需要具备支持未来车辆必要功能的速度、稳健性和安全性。随着 NAND 存储价格的下降以及其性能的提升，汽车行业已开始逐步向 NAND 存储迁移。这一迁移过程并不复杂，因为当前可用的解决方案已经在单一封装中集成了实现完整存储解决方案所需的众多特性。像慧荣科技（Silicon Motion）这样的可靠供应商拥有强大的定制化闪存存储和控制器解决方案组合，这些解决方案经过优化，可支持车载娱乐系统、导航、ADAS（高级驾驶辅助系统）以及自动驾驶应用，同时也为“车轮上的数据中心”的发展提供了未来保障。