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

Contexto del mercado

La migración a vehículos autónomos y eléctricos, junto con la transición resultante a una arquitectura de vehículo centralizada, requiere memoria de alto rendimiento, alta capacidad de banda, estable y segura para tener éxito.

Según una investigación actual, aproximadamente 90 millones de automóviles estarán recopilando datos de sensores y poniéndolos disponibles en línea para 2025. El vehículo de hoy reúne muchas funciones avanzadas de "infotainment" en un solo tablero de instrumentos — pantallas que entretienen y proporcionan información crítica al conductor para garantizar su seguridad e incluso ayudarlo a conducir. Las pantallas están creciendo; algunas transmiten música, video e incluso videojuegos para los pasajeros y el GPS está integrado directamente en el vehículo junto con otros Sistemas Avanzados de Asistencia al Conductor (ADAS). Muchas características de ADAS recopilan datos de sensores, cámaras, radar y lidar. Aunque la cantidad de datos para cada característica puede ser pequeña, se acumula.

La autonomía, incluso si es solo parcial, agrega una gran cantidad de datos a la mezcla. Las características ADAS, como el mantenimiento de carril, el frenado automático y el control de crucero adaptativo, son características dependientes de los datos, y la conducción completamente autónoma que no requiere ninguna intervención humana en absoluto necesitará 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 ser accesibles de forma remota. Al igual que una aeronave comercial, los coches tienen sus propias cajas negras para registrar lo que sucede durante un accidente y los momentos previos al mismo. Se necesita almacenamiento para capturar datos como la entrada de dirección, fuerzas G en el coche, velocidad, telemetría e incluso vídeo y audio. Los requisitos de almacenamiento se vuelven más específicos porque una gran y repentina avalancha de datos debe escribirse rápidamente en el dispositivo. Ese dispositivo de almacenamiento debe ser lo suficientemente duradero 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 muchas 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 replantearse toda la filosofía de diseño de vehículos. Hasta ahora, casi todas las funciones del vehículo tenían su propia ECU para realizar mediciones y tomar acciones. Cada una de esas ECUs también necesita comunicarse libremente con cualquier otra ECU. Sin embargo, la introducción de funciones y características avanzadas, como ADAS, ha significado que el número de ECUs necesarias para que un vehículo funcione ha aumentado drásticamente, junto con el ancho de banda necesario para los datos que se generan.

Ese aumento en el número de ECUs conduce naturalmente a un incremento en la cantidad de piezas necesarias para fabricar esas ECUs, lo cual, a su vez, ha provocado un aumento correspondiente en la complejidad de los sistemas de 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 negativo real en la autonomía del vehículo.

Todas las nuevas características de los vehículos dependen de producir, procesar y almacenar grandes cantidades de datos. Los fabricantes de estos vehículos ven una solución centralizada como la mejor forma de poder manejar esos datos. De tener ECUs separadas para cada función, los diseños están migrando hacia un único ECU que se encargue de múltiples tareas, por ejemplo, para estar a cargo de todas las funciones en una única área física del vehículo. Estos ECUs multifunción son controlados por un gateway central. Con el tiempo, ese gateway central asumirá más tareas, eliminando más ECUs periféricos hasta que solo queden unos pocos ECUs remotos controlados por una computadora central muy potente. El éxito de esa transición depende de la memoria. A medida que más características se consolidan en menos ECUs, esos ECUs necesitan ser más rápidos y más potentes, y la memoria es compartida por múltiples funciones. El gateway central y cualquier otro ECU deben poder acceder a los datos que necesitan desde el almacenamiento de manera oportuna. El almacenamiento necesita ser confiable, especialmente en el caso de aplicaciones críticas. Debe ser seguro y necesita tener una vida útil que coincida con la del propio vehículo.

Otro factor en el mercado de la computación embebida es que los proveedores de PC industriales (IPC) enfrentan una enorme presión competitiva que amenaza con suprimir sus ingresos de sus líneas de productos COM. Para aumentar o mantener las ganancias, los fabricantes de IPC dedican un gran esfuerzo a la integración de productos que agregan valor, en parte al integrar en la placa COM componentes que anteriormente podrían haber sido dispositivos externos, enchufables. El almacenamiento es uno de los elementos más vitales a bordo de un sistema de computación embebida: los proveedores de IPC siempre están

Soluciones

Las cantidades crecientes de datos digitales que deben procesarse y almacenarse, hacen que los diseñadores de sistemas automotrices ahora prefieran los dispositivos flash NAND sobre los medios rotacionales para el almacenamiento masivo debido a su fiabilidad y tolerancia a amplios rangos de temperatura, así como a su gran capacidad en formatos pequeños. Cualquier dispositivo de almacenamiento flash NAND debe seguir el ritmo de los requisitos de capacidad, baja latencia y rendimiento al ofrecer velocidades rápidas de lectura y escritura y un alto rendimiento de datos. A pesar de esta consolidación, habrá una variedad de diferentes tipos de almacenamiento NAND para respaldar las demandas de almacenamiento de datos necesarias 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 la carretera. Las soluciones de almacenamiento NAND flash, como la tarjeta Multimedia integrada (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 de nivel 1 y otros actores clave en la cadena de suministro automotriz, por motivos de rendimiento, fiabilidad, longevidad y seguridad.

Almacenamiento NAND en diseños automotrices modernos

Cuando la memoria flash NAND todavía era bastante cara y no había alcanzado las densidades y estructuras de costo que vemos hoy, los discos duros que utilizaban 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 vibraciones, así como para soportar cargas de impacto de hasta 200 veces la fuerza de la gravedad y más. También eran económicos, dada la cantidad de datos que podían almacenar en un espacio reducido. Sin embargo, los discos duros tienen tiempos de acceso relativamente lentos y están sujetos a fallos por choques y vibraciones.

Pero a medida que el costo de la memoria flash NAND disminuyó y los diseños de almacenamiento en estado sólido maduraron, comenzaron a tener más sentido y reemplazaron a los medios rotativos. Una clara ventaja del almacenamiento 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 manejar los rangos de temperatura extremos de las aplicaciones automotrices.

La memoria flash NAND se encuentra en el vehículo moderno de muchas maneras para apoyar muchas aplicaciones; los tipos de almacenamiento flash NAND en el vehículo dependen de los requisitos de rendimiento y capacidad de la 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 extraíbles permiten la flexibilidad de actualizar y recuperar contenido del mercado de accesorios.

Ventajas de NAND Flash

El almacenamiento NAND en forma de eMMC fue el primer tipo de almacenamiento en estado sólido que se adoptó ampliamente en aplicaciones automotrices. Ampliamente utilizado en teléfonos móviles, esta tarjeta de memoria no extraíble se suelda en una placa de circuito, lo que la hace segura contra vibraciones constantes. eMMC sigue siendo una opción viable para almacenar datos relacionados con muchas aplicaciones de navegación y entretenimiento, incluyendo radio satelital, mapas 3D, monitoreo de tráfico e información meteorológica.

La aparición de la interfaz UFS la ha llevado a usurpar a eMMC para diseños automotrices más nuevos, ya que fue desarrollada específicamente para ser un reemplazo de alto rendimiento para eMMC. Ofrece una interfaz más rápida, mayor densidad, mejor eficiencia energética y un rendimiento superior para lecturas y escrituras en comparación con eMMC. UFS también ofrece tiempos de arranque rápidos, permitiendo que los sistemas se inicien tan rápido como tarda el conductor en girar la llave en el encendido.

Las necesidades computacionales crecientes de un diseño automotriz han empujado los requisitos de almacenamiento de datos aún más lejos en términos de rendimiento y capacidad de almacenamiento. Esto ha llevado a la adopción de almacenamiento NAND flash de mayor capacidad en forma de SSD completas de grado automotriz, lo que significa que están diseñadas para manejar un rendimiento y capacidades equivalentes a los de la empresa mientras soportan rangos de temperatura extremos. Las capacidades mayores también permiten la consolidación del almacenamiento dentro del sistema automotriz para reducir el número total de dispositivos de almacenamiento requeridos. Los SSD de grado automotriz están pasando de SATA a la interfaz PCIe NVMe a medida que se venden más vehículos con capacidades avanzadas de conducción autónoma. Requieren hasta 1TB de almacenamiento flash para mapas 3D, contenido de entretenimiento 4K, datos de sensores y grabación de caja negra, todo lo cual aumenta las demandas de más ancho de banda, latencia y capacidad.

Soluciones de memoria prácticas para aplicaciones automotrices

Silicon Motion proporciona una serie de soluciones de memoria NAND que están completamente integradas y son ideales para su uso en aplicaciones automovilísticas. Están diseñadas para permitir que los fabricantes de vehículos realicen fácilmente la transición a arquitecturas de próxima generación con funcionalidad avanzada, mientras cumplen con los estándares aplicables. La familia FerriSSD proporciona almacenamiento confiable PCIe NVMe/SATA/PATA con velocidades de acceso rápidas. Integra tecnología de controlador probada en la industria, memoria flash NAND y componentes pasivos para simplificar los diseños automovilísticos. La gama Ferri-UFS ofrece un controlador flash rico en funciones, compatible con el último estándar UFS2.1/3.1 y memoria flash NAND estándar. Su acceso de almacenamiento de alto rendimiento, mejor eficiencia energética y facilidad de diseño del sistema lo hacen ideal para aplicaciones automovilísticas. Finalmente, la gama Ferri-eMMC de la compañía es totalmente compatible 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 sencillo posible, entre ellas se incluyen:

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

Los dispositivos de almacenamiento flash NAND para aplicaciones automotrices deben estar adaptados a las funciones presentes en los vehículos modernos, y esto se logra principalmente gracias a la tecnología de controladores NAND diseñada con aplicaciones automotrices en mente. El controlador NAND es esencialmente el "cerebro" de un dispositivo de almacenamiento, ya que desempeña un papel clave en la optimización de los diversos almacenamientos flash NAND para aplicaciones automotrices al asegurar el rendimiento, la fiabilidad, la seguridad, así como el soporte a las diversas tecnologías 3D NAND flash.

Los controladores eMMC, UFS y SSD comparten muchas capacidades similares con esos controladores para otras aplicaciones. Los controladores utilizados para automoción, sin embargo, suelen fabricarse en un proceso automotriz por las fundiciones de semiconductores, soportan temperaturas extendidas, exhiben 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 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 con AEC-Q100 y la certificación ISO 9000/9001 e ISO26262.

Los diseños automotrices están evolucionando para los vehículos modernos autónomos y eléctricos, al igual que los respectivos sistemas de almacenamiento. Debido a que el NAND flash se integra en el vehículo moderno de muchas maneras para admitir numerosas aplicaciones, los fabricantes de automóviles esperan que el dispositivo de almacenamiento NAND elegido tenga el rendimiento y la fiabilidad requeridos 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 cuentan con todas las características mencionadas anteriormente y también ofrecen capacidad SR-IOV incorporada para virtualizar recursos de red y permitir que un solo SSD se comparta en hasta ocho funciones diferentes para reducir costos, al tiempo que aumenta el rendimiento y el flujo de la red.

Resumen

Con la transición hacia 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 que se están implementando para acomodar las funciones necesarias para los vehículos del mañana. La industria automotriz ya está en proceso de migración hacia la memoria NAND ya que su precio ha disminuido y sus capacidades han aumentado. Esta migración no tiene por qué ser difícil, ya que las soluciones actualmente disponibles integran las numerosas características requeridas para una solución de almacenamiento completa en un solo paquete. Proveedores confiables, como Silicon Motion, tienen un sólido portafolio de soluciones de almacenamiento flash y controladores adaptados que están optimizados para soportar aplicaciones de infoentretenimiento, navegación, ADAS y conducción autónoma, además de estar preparadas para el futuro para respaldar la evolución del centro de datos sobre ruedas.