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 verso un'architettura del veicolo centralizzata, richiede memoria ad alte prestazioni, ad alta larghezza di banda, stabile e sicura per avere successo.

Secondo una ricerca recente, circa 90 milioni di automobili raccoglieranno dati dai sensori e li renderanno disponibili online entro il 2025. Il veicolo di oggi riunisce molte caratteristiche avanzate di “infotainment” in un unico cruscotto — schermi che intrattengono e forniscono informazioni critiche al conducente per garantire la sicurezza e persino aiutare nella guida. Gli schermi stanno diventando 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 ogni funzione possa essere piccola, si accumula.

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

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

Anche il veicolo moderno è dotato di una grande capacità diagnostica che potrebbe diventare accessibile da remoto. Come un aereo commerciale, le auto hanno le proprie scatole nere per registrare ciò che accade durante un incidente e i momenti precedenti ad esso. È necessaria una memoria per catturare dati come l'input dello sterzo, le forze G sull'auto, la velocità, la telemetria e persino video e audio. I requisiti di archiviazione diventano più specifici perché un grande e improvviso flusso di dati deve essere scritto rapidamente sul dispositivo. Tale dispositivo di archiviazione deve essere abbastanza resistente da sopravvivere a un impatto serio, e persino a incendi o danni d'acqua.

Una tendenza chiave nel design dell'architettura dei veicoli intelligenti è la consolidazione di molte capacità di calcolo in modo che l'archiviazione possa servire una varietà di applicazioni nelle funzioni dei veicoli, mentre è abbastanza intelligente 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 i veicoli elettrificati e autonomi ha costretto i produttori a ripensare l'intera filosofia di progettazione dei veicoli. Fino ad ora, quasi ogni funzione nel veicolo aveva la propria ECU per eseguire misurazioni e prendere azioni. Ciascuna di queste ECU deve anche comunicare liberamente con qualsiasi altra ECU. Tuttavia, l'introduzione di funzioni e caratteristiche avanzate, come l'ADAS, ha significato che il numero di ECU richieste per il funzionamento di un veicolo è aumentato notevolmente, insieme alla larghezza di banda necessaria per i dati generati.

L'aumento del numero di ECU porta naturalmente a un aumento delle parti necessarie per fabbricare tali ECU, il che, a sua volta, ha portato a 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 realmente negativo sull'autonomia del veicolo.

Tutte le nuove funzionalità nei veicoli si basano sulla produzione, elaborazione e archiviazione di enormi quantità di dati. I produttori di questi veicoli vedono una soluzione centralizzata come il modo migliore per gestire tali dati. Dal possedere ECU separate per ogni funzione, i progetti stanno migrando verso l'avere un'unica ECU per gestire più compiti, ad esempio per essere responsabile di tutte le funzioni in una singola area fisica del veicolo. Queste ECU multifunzione sono poi controllate da un gateway centrale. Con il tempo, quel gateway centrale assumerà più compiti, eliminando ulteriori ECU periferiche fino a quando ci saranno solo poche ECU remote controllate da un computer centrale molto potente. Il successo di quella transizione si basa sulla memoria. Man mano che più funzioni vengono consolidate in meno ECU, quelle ECU devono essere più veloci e potenti, e la memoria è condivisa da più funzioni. Il gateway centrale e qualsiasi altra ECU devono essere in grado di accedere ai dati di cui hanno bisogno dall'archiviazione in maniera tempestiva. L'archiviazione deve essere affidabile, specialmente in applicazioni mission-critical. Deve essere sicura e deve avere una durata che corrisponda a quella del veicolo stesso.

Un altro fattore nel mercato dei computer embedded è che i venditori di PC industriali (IPC) affrontano un'enorme pressione competitiva che rischia di sopprimere il loro guadagno dalle linee di prodotti COM. Per aumentare o mantenere il profitto, i produttori di IPC dedicano grande sforzo all'integrazione di prodotti che aggiungono valore, in parte incorporando sulla scheda COM componenti che prima potevano essere dispositivi esterni, plug-in. Lo storage è uno degli elementi più vitali a bordo di un sistema di computing embedded: i venditori di IPC sono sempre

Soluzioni

Le quantità sempre crescenti di dati digitali che devono essere elaborati e memorizzati significano che i progettisti di sistemi automobilistici ora preferiscono i dispositivi NAND flash rispetto ai media rotanti per l'archiviazione di massa a causa della loro affidabilità e tolleranza a un'ampia gamma di temperature, oltre che per le grandi capacità in formati piccoli. Qualsiasi dispositivo di archiviazione NAND flash deve tenere il passo con i requisiti di capacità, bassa latenza e prestazioni fornendo velocità di lettura e scrittura rapide e un alto throughput di dati. Nonostante questa consolidazione, ci sarà una varietà di diversi tipi di archiviazione NAND per supportare le richieste di archiviazione dei dati richieste nei veicoli autonomi ed elettrici.

Oltre a soddisfare le qualifiche di grado automobilistico, ci si aspetta che i dispositivi di archiviazione durino per tutto il tempo in cui il veicolo è su strada. Soluzioni di archiviazione NAND flash come embedded Multimedia Card (eMMC), Universal Flash Storage (UFS) e Solid-State Drives (SSD) sono facilmente adottate dai produttori di automobili, progettisti di sistemi di livello 1 e altri attori chiave nella catena di fornitura automobilistica per considerazioni di prestazioni, affidabilità, longevità e sicurezza.

Archiviazione NAND nei progetti automobilistici moderni

Quando la memoria flash NAND era ancora piuttosto costosa e non aveva ancora raggiunto le densità e le strutture di costo che vediamo oggi, i dischi rigidi che utilizzano media rotazionale erano considerati la migliore soluzione per archiviare dati nelle automobili. I dischi rigidi di grado automobilistico erano progettati per gestire gli estremi di temperatura e le vibrazioni, nonché per resistere a carichi di shock fino a 200 volte la forza di gravità e oltre. Erano anche economici dato il volume di dati che potevano immagazzinare in uno spazio ridotto. Tuttavia, i dischi rigidi hanno tempi di accesso relativamente lenti e sono soggetti a guasti da shock e vibrazioni.

Ma con la diminuzione dei costi del flash NAND e con la maturazione dei design di archiviazione a stato solido, hanno iniziato a diventare più sensati e a sostituire i media rotazionali. Un chiaro vantaggio delle memorie NAND rispetto ai dischi rigidi è l'assenza di parti in movimento, che le rende meno soggette a guasti dovuti a urti e vibrazioni. Le memorie NAND sono anche molto più veloci di un disco rigido e possono gestire anche i range di temperatura estremi delle applicazioni automotive.

La memoria flash NAND si inserisce nel veicolo moderno in molti modi per supportare numerose applicazioni; i tipi di archiviazione flash NAND nel veicolo dipendono dai requisiti di prestazioni e capacità dell'applicazione. CompactFlash e le schede Secure Digital rimangono opzioni flessibili per applicazioni automobilistiche come mappe digitali e dash camera. Questi tipi di archiviazione rimovibili consentono la flessibilità di aggiornamento e recupero dei contenuti post-vendita.

Vantaggi della NAND Flash

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

La comparsa dell'interfaccia UFS ha visto sostituire l'eMMC nei nuovi progetti automobilistici, poiché è stata sviluppata specificamente come sostituto ad alte prestazioni dell'eMMC. Offre un'interfaccia più veloce, maggiore densità, migliore efficienza energetica e prestazioni più elevate per letture e scritture rispetto a eMMC. UFS offre anche tempi di avvio rapidi, permettendo ai sistemi di avviarsi nel tempo impiegato dal conducente per girare la chiave di accensione.

Le maggiori esigenze computazionali di un design automobilistico hanno spinto i requisiti di archiviazione dati ancora più avanti in termini di prestazioni e capacità di archiviazione. Questo ha portato all’adozione di NAND flash ad alta capacità sotto forma di SSD completi di grado automotive, il che significa che sono progettati per gestire prestazioni e capacità equivalenti a quelle aziendali mentre supportano intervalli di temperatura estremi. Le capacità maggiori consentono anche la consolidazione dell'archiviazione all'interno del sistema automobilistico per ridurre il numero complessivo di dispositivi di archiviazione richiesti. Gli SSD di grado automotive stanno passando da SATA all'interfaccia PCIe NVMe con la vendita di più veicoli con capacità avanzate di guida autonoma. Richiedono fino a 1TB di memoria flash per mappe 3D, contenuti infotainment 4K, dati dei sensori e registrazione della scatola nera, tutti elementi che aumentano la richiesta di maggiore 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 permettere ai produttori di veicoli di passare facilmente a architetture di nuova generazione con funzionalità avanzate, rispettando i standard applicabili. La famiglia FerriSSD fornisce un'affidabile storage PCIe NVMe/SATA/PATA con velocità di accesso rapida. Integra tecnologia di controller comprovata nel settore, flash NAND e componenti passivi per semplificare i progetti automobilistici. La gamma Ferri-UFS offre un controller flash ricco di funzionalità, conforme al più recente standard UFS2.1/3.1 e alla memoria flash NAND standard. Le sue prestazioni elevate nell'accesso allo storage, una migliore efficienza energetica e la facilità di progettazione del sistema lo rendono ideale per applicazioni automobilistiche. Infine, la gamma Ferri-eMMC della compagnia è pienamente 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 caratteristiche per garantire che il design complessivo del sistema sia il più semplice possibile, tra cui:

I controller sono "il cervello" della NAND Flash

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 essenzialmente il "cervello" di un dispositivo di archiviazione, poiché svolge un ruolo chiave nell'ottimizzazione dei vari dispositivi di archiviazione flash NAND per applicazioni automobilistiche assicurando prestazioni, affidabilità, sicurezza oltre a supportare le varie tecnologie NAND flash 3D.

I controller eMMC, UFS e SSD condividono molte delle stesse capacità di quelli per altre applicazioni. I controller utilizzati per l'automotive, tuttavia, sono solitamente prodotti con un processo automobilistico dai fonderie di semiconduttori, supportano temperature estese, mostrano un basso Defected Parts Per Million (DPPM), e sono progettati con la conformità allo standard ASPICE in mente.

Che si tratti solo di un controller o di un dispositivo di archiviazione completo, qualsiasi prodotto flash di grado automobilistico deve dimostrare di aver subito test rigorosi per soddisfare le qualifiche attese 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 moderni autonomi ed elettrici, così come i rispettivi sistemi di storage. Poiché il NAND flash trova il suo impiego nei veicoli moderni in molti modi per supportare numerose applicazioni, i produttori automobilistici si aspettano che il dispositivo di storage NAND scelto abbia le prestazioni e l'affidabilità richieste con una ritenzione dei dati in grado di durare quanto la vita del veicolo. Come esempio pratico, i controller SSD PCIe NVMe di grado automobilistico di Silicon Motion possiedono tutte le caratteristiche sopra menzionate e offrono anche la capacità SR-IOV integrata per virtualizzare le risorse di rete e permettere a un singolo SSD di essere condiviso su fino a otto diverse funzioni per ridurre i costi, aumentando al contempo le prestazioni e la capacità di throughput della rete.

Riepilogo

Con il passaggio all'energia elettrica e alla guida autonoma che avviene a tutta velocità, la memoria NAND offre l'unica soluzione di archiviazione che è abbastanza veloce, robusta e sicura per le nuove architetture implementate per ospitare le caratteristiche necessarie per i veicoli di domani. L'industria automobilistica è già in fase di migrazione verso la memoria NAND in quanto il suo prezzo è diminuito e le sue capacità sono aumentate. Questa migrazione non deve essere difficile poiché le soluzioni attualmente disponibili integrano le molteplici caratteristiche necessarie per una soluzione di archiviazione completa in un unico pacchetto. Fornitori affidabili, come Silicon Motion, dispongono di un portafoglio robusto di soluzioni di storage flash e controller su misura ottimizzate per supportare l'infotainment, la navigazione, ADAS e le applicazioni di guida autonoma, oltre a essere a prova di futuro per supportare l'evoluzione del centro dati su ruote.