Solutions mémoire NAND Silicon Motion pour applications automobiles autonomes et électriques

Contexte du marché

La migration vers des véhicules autonomes et électriques, ainsi que la transition qui en résulte vers une architecture centralisée des véhicules, nécessite une mémoire haute performance, à large bande passante, stable et sécurisée pour réussir.

Selon une recherche actuelle, environ 90 millions de voitures collecteront des données à partir de capteurs et les rendront disponibles en ligne d’ici 2025. Le véhicule d’aujourd’hui regroupe de nombreuses fonctionnalités “d’infodivertissement” avancées dans un tableau de bord unique — des écrans qui divertissent et fournissent des informations cruciales au conducteur pour garantir la sécurité et même l’aider à conduire. Les écrans deviennent plus grands ; certains diffusent de la musique, des vidéos et même des jeux pour les passagers, et le GPS est intégré directement dans le véhicule, ainsi que d'autres systèmes avancés d’aide à la conduite (ADAS). De nombreuses fonctionnalités ADAS collectent des données à partir de capteurs, de caméras, de radars et de lidar. Bien que la quantité de données pour chaque fonctionnalité puisse être faible, cela s’accumule.

L'autonomie, même partielle, ajoute une grande quantité de données au mélange. Les fonctionnalités ADAS telles que le maintien de voie, le freinage automatique et le régulateur de vitesse adaptatif sont des fonctionnalités dépendantes des données, et la conduite entièrement autonome qui ne nécessite aucune intervention humaine nécessitera des données pour que la prise de décision automatique puisse se produire.

La connectivité augmente également les exigences de stockage de données sur les véhicules. Qu'il s'agisse de Wi-Fi ou de 5G, la connectivité facilite la mise à jour des logiciels embarqués. Lorsque la mise à jour des logiciels devient plus simple, il est plus probable qu'elle soit ajoutée à un véhicule sous forme de nouvelles fonctionnalités, de correctifs de bogues et de mises à jour de sécurité.

Le véhicule moderne est également doté de nombreuses capacités de diagnostic qui pourraient devenir accessibles à distance. Comme un avion commercial, les voitures possèdent leurs propres boîtes noires pour enregistrer ce qui se passe lors d'un accident et les instants qui le précèdent. Un stockage est nécessaire pour capturer des données telles que les commandes de direction, les forces G subies par la voiture, la vitesse, la télémétrie, et même la vidéo et l'audio. Les exigences en matière de stockage deviennent plus spécifiques car un grand volume soudain de données doit être écrit rapidement sur l'appareil. Cet appareil de stockage doit être suffisamment robuste pour résister à un impact sérieux, et même aux dommages causés par le feu ou l'eau.

Une tendance clé de conception dans l'architecture des véhicules intelligents est la consolidation de nombreuses capacités de calcul afin que le stockage puisse servir une variété d'applications dans les fonctions des véhicules, tout en étant suffisamment intelligent pour savoir ce qui est prioritaire. Par exemple, les fonctions autonomes et les applications de divertissement pourraient partager le même espace de stockage.

Architecture

La transition vers les véhicules électrifiés et autonomes a contraint les fabricants à repenser toute la philosophie de conception des véhicules. Jusqu'à présent, presque chaque fonction dans le véhicule avait son propre ECU pour effectuer des mesures et prendre des actions. Chacun de ces ECUs doit également communiquer librement avec n'importe quel autre ECU. Cependant, l'introduction de fonctions et de caractéristiques avancées, telles que l'ADAS, a entraîné une augmentation spectaculaire du nombre d'ECUs nécessaires au fonctionnement d'un véhicule, ainsi que de la bande passante requise pour les données générées.

Cette augmentation du nombre d’ECU entraîne naturellement une hausse du nombre de composants nécessaires à la fabrication de ces ECU, ce qui a, à son tour, conduit à une augmentation correspondante de la complexité des systèmes de véhicules, ainsi que de leur coût. Encore pire pour les véhicules électriques, le poids supplémentaire des ECU et du câblage nécessaire à la mise en œuvre du système électrique a un impact négatif réel sur l’autonomie du véhicule.

Toutes les nouvelles fonctionnalités des véhicules reposent sur la production, le traitement et le stockage de grandes quantités de données. Les fabricants de ces véhicules considèrent qu'une solution centralisée est la meilleure manière de gérer ces données. Au lieu d'avoir des ECU distincts pour chaque fonction, les conceptions migrent vers un ECU unique capable de prendre en charge plusieurs tâches, par exemple toutes les fonctions d'une seule zone physique du véhicule. Ces ECU multifonctions sont alors contrôlés par une passerelle centrale. Avec le temps, cette passerelle centrale assumera davantage de tâches, éliminant plus d'ECU périphériques jusqu'à ce qu'il ne reste que quelques ECU à distance contrôlés par un ordinateur central très puissant. Le succès de cette transition dépend de la mémoire. À mesure que davantage de fonctionnalités sont consolidées dans un nombre réduit d'ECU, ces ECU doivent être plus rapides et plus puissants, et la mémoire est partagée entre plusieurs fonctions. La passerelle centrale et tout autre ECU doivent pouvoir accéder aux données nécessaires depuis le stockage de manière rapide. Le stockage doit être fiable, en particulier pour les applications critiques. Il doit également être sécurisé et avoir une durée de vie adaptée à celle du véhicule lui-même.

Un autre facteur sur le marché de l'informatique embarquée est que les fournisseurs de PC industriels (IPC) font face à une pression concurrentielle énorme, ce qui risque de réduire leurs revenus provenant de leurs gammes de produits COM. Pour augmenter ou maintenir leurs profits, les fabricants d'IPC consacrent de grands efforts à l'intégration de produits qui ajoutent de la valeur, notamment en intégrant sur la carte COM des composants qui, auparavant, étaient des dispositifs externes ou enfichables. Le stockage est l'un des éléments embarqués les plus essentiels d'un système informatique embarqué : les fournisseurs d'IPC sont toujours

Solutions

Les quantités toujours croissantes de données numériques à traiter et à stocker signifient que les concepteurs de systèmes automobiles préfèrent désormais les dispositifs NAND flash aux supports rotatifs pour le stockage de masse, en raison de leur fiabilité, de leur tolérance à de larges plages de températures ainsi que de leurs grandes capacités dans des formats compacts. Tout dispositif de stockage NAND flash doit répondre aux exigences de capacité, de faible latence et de performance en fournissant des vitesses de lecture et d'écriture rapides ainsi qu'un débit de données élevé. En dépit de cette consolidation, il existera une variété de différents types de stockage NAND pour répondre aux besoins de stockage de données des véhicules autonomes et électriques.

En plus de répondre aux qualifications de grade automobile, les dispositifs de stockage doivent durer aussi longtemps que le véhicule est en service. Les solutions de stockage NAND flash telles que l'embedded Multimedia Card (eMMC), le Universal Flash Storage (UFS) et les Solid-State Drives (SSD) sont largement adoptées par les constructeurs automobiles, les concepteurs de systèmes de niveau 1 et d'autres parties prenantes clés dans la chaîne d'approvisionnement automobile pour des considérations de performance, de fiabilité, de longévité et de sécurité.

Stockage NAND dans les conceptions automobiles modernes

Lorsque la mémoire flash NAND était encore assez coûteuse et n'avait pas atteint les densités et les structures de coût que nous connaissons aujourd'hui, les disques durs utilisant des supports rotatifs étaient considérés comme la meilleure solution pour stocker des données dans les voitures. Les disques durs de qualité automobile étaient conçus pour résister aux températures extrêmes et aux vibrations, ainsi qu'à des charges de choc pouvant atteindre 200 fois la force de gravité, voire davantage. Ils étaient également peu coûteux compte tenu de la quantité de données qu'ils pouvaient stocker dans un espace réduit. Cependant, les disques durs ont des temps d'accès relativement lents et sont sujets à des pannes dues aux chocs et aux vibrations.

Mais à mesure que le coût de la mémoire flash NAND a diminué et que les conceptions de stockage à semi-conducteurs ont mûri, elles ont commencé à avoir plus de sens et à remplacer les supports rotatifs. Un avantage clair du stockage NAND par rapport aux disques durs est l'absence de pièces mobiles, ce qui les rend moins susceptibles de tomber en panne en raison de chocs et de vibrations. Le stockage NAND est également beaucoup plus rapide qu'un disque dur et peut aussi supporter les plages de températures extrêmes des applications automobiles.

La mémoire flash NAND s'intègre dans le véhicule moderne de nombreuses manières pour soutenir une multitude d'applications ; les types de stockage NAND flash dans le véhicule dépendent des exigences de performance et de capacité des applications. Les cartes CompactFlash et Secure Digital restent des options flexibles pour les applications automobiles telles que les cartes numériques et les caméras de tableau de bord. Ces types de stockage amovibles offrent la flexibilité pour la mise à niveau et la récupération de contenu après installation.

Avantages de la mémoire NAND Flash

Le stockage NAND sous forme de eMMC a été le premier type de stockage à semi-conducteurs largement adopté dans les applications automobiles. Largement utilisé dans les téléphones mobiles, cette carte mémoire non amovible est soudée sur une carte de circuit, ce qui la rend résistante aux vibrations constantes. Le eMMC reste un choix pertinent pour stocker des données liées à de nombreuses applications de navigation et d'infodivertissement, notamment la radio satellite, les cartes 3D, la surveillance du trafic et les informations météorologiques.

L'émergence de l'interface UFS a permis de supplanter l'eMMC dans les nouvelles conceptions automobiles, car elle a été spécifiquement développée pour remplacer l'eMMC avec des performances élevées. Elle offre une interface plus rapide, une densité plus élevée, une meilleure efficacité énergétique et des performances supérieures pour les lectures et écritures par rapport à l'eMMC. L'UFS offre également des temps de démarrage rapides, permettant aux systèmes de démarrer aussi vite que le temps nécessaire au conducteur pour tourner la clé dans le contact.

Les besoins informatiques croissants dans la conception automobile ont encore accentué les exigences en matière de performance et de capacité de stockage des données. Cela a conduit à l'adoption de solutions de stockage NAND flash de plus grande capacité sous forme de SSD complets de qualité automobile, ce qui signifie qu'ils sont conçus pour offrir des performances et des capacités équivalentes à celles des entreprises tout en prenant en charge des plages de température extrêmes. Les capacités plus importantes permettent également de consolider le stockage au sein du système automobile afin de réduire le nombre total de dispositifs de stockage nécessaires. Les SSD de qualité automobile passent de l'interface SATA à l'interface PCIe NVMe, au fur et à mesure que davantage de véhicules équipés de capacités avancées de conduite autonome sont commercialisés. Ils nécessitent jusqu'à 1 To de stockage flash pour les cartes 3D, les contenus infotainment en 4K, les données des capteurs et l'enregistrement de la boîte noire, ce qui augmente les exigences en termes de bande passante, de latence et de capacité.

Solutions de mémoire pratiques pour les applications automobiles

Silicon Motion propose plusieurs solutions de mémoire NAND entièrement intégrées et idéales pour une utilisation dans les applications automobiles. Elles sont conçues pour permettre aux fabricants de véhicules de passer facilement à des architectures de nouvelle génération avec des fonctionnalités avancées, tout en respectant les normes applicables. La famille FerriSSD offre un stockage PCIe NVMe/SATA/PATA fiable avec des vitesses d'accès rapides. Elle intègre une technologie de contrôleur éprouvée, une mémoire flash NAND et des composants passifs pour simplifier les conceptions automobiles. La gamme Ferri-UFS propose un contrôleur flash riche en fonctionnalités, conforme aux dernières normes UFS2.1/3.1 et à la mémoire flash NAND standard. Ses performances élevées en matière d'accès au stockage, sa meilleure efficacité énergétique et sa conception système simplifiée en font une solution idéale pour les applications automobiles. Enfin, la gamme Ferri-eMMC de la société est entièrement conforme aux normes JEDEC pour les protocoles eMMC 4.5/5.0/5.1. Les trois familles de solutions NAND offrent également une large gamme de fonctionnalités pour garantir une conception système globale aussi simple que possible, notamment :

Les contrôleurs sont "le cerveau" de la mémoire flash NAND

Les dispositifs de stockage NAND flash pour les applications automobiles doivent être adaptés aux fonctions présentes dans les véhicules modernes, ce qui est principalement rendu possible par la technologie du contrôleur NAND conçue pour les applications automobiles. Le contrôleur NAND est essentiellement le « cerveau » d'un dispositif de stockage, car il joue un rôle clé dans l'optimisation des différents stockages NAND flash pour les applications automobiles en garantissant la performance, la fiabilité, la sécurité ainsi que le support des différentes technologies de NAND flash 3D.

Les contrôleurs eMMC, UFS et SSD partagent de nombreuses capacités similaires à celles des contrôleurs pour d'autres applications. Les contrôleurs utilisés dans l'automobile, cependant, sont généralement fabriqués selon un processus automobile par les fonderies de semi-conducteurs, supportent des températures étendues, présentent un faible taux de pièces défectueuses par million (DPPM), et sont conçus avec la conformité à la norme ASPICE à l'esprit.

Qu'il s'agisse simplement d'un contrôleur ou d'un dispositif de stockage complet, tout produit flash de qualité automobile doit démontrer qu'il a subi des tests rigoureux pour répondre aux qualifications attendues par les constructeurs automobiles, y compris la conformité AEC-Q100 ainsi que les certifications ISO 9000/9001 et ISO26262.

Les conceptions automobiles évoluent pour les véhicules autonomes modernes et les véhicules électriques, tout comme les systèmes de stockage correspondants. Étant donné que la mémoire NAND flash s'intègre dans les véhicules modernes de multiples façons pour prendre en charge de nombreuses applications, les fabricants automobiles s'attendent à ce que leur dispositif de stockage NAND choisi offre les performances et la fiabilité nécessaires, avec une rétention des données correspondant à la durée de vie du véhicule. Par exemple, les contrôleurs PCIe NVMe SSD de qualité automobile de Silicon Motion disposent de toutes les fonctionnalités mentionnées ci-dessus et offrent également une capacité SR-IOV intégrée pour virtualiser les ressources réseau et permettre à un seul SSD d'être partagé entre jusqu'à huit fonctions différentes afin de réduire les coûts, tout en augmentant les performances et le débit du réseau.

Résumé

Avec la transition vers l'énergie électrique et la conduite autonome qui se déroule à pleine vitesse, la mémoire NAND offre la seule solution de stockage suffisamment rapide, robuste et sécurisée pour les nouvelles architectures mises en œuvre afin d'accommoder les fonctionnalités nécessaires aux véhicules de demain. L'industrie automobile est déjà en train de migrer vers la mémoire NAND, dont le prix a baissé et les capacités ont augmenté. Cette migration ne doit pas être compliquée, car les solutions actuellement disponibles intègrent les nombreuses fonctionnalités requises pour une solution de stockage complète dans un seul paquet. Des fournisseurs fiables, tels que Silicon Motion, disposent d'un portefeuille robuste de solutions de stockage flash et de contrôleurs sur mesure, optimisées pour prendre en charge les applications d'infodivertissement, navigation, ADAS, et conduite autonome, tout en étant préparées pour soutenir l'évolution du centre de données embarqué.