Dies ist der dritte Artikel einer 5-teiligen Serie über die Datenspeicherung in der Automobilindustrie. In diesem Beitrag werfen wir einen Blick auf die Rolle von PCIe-SSD in einem modernen Fahrzeug und warum PCIe an Bedeutung gewinnt.
Im vorherigen Artikel haben wir die Rolle von eMMC und UFS als eingebettete Speicherlösungen in Automobilsystemen diskutiert und darüber gesprochen, wie UFS Speicher den langsameren eMMC Chip schrittweise ersetzt. Allerdings wissen wir, dass die PCIe-Technologie in PC- und Serversystemen weit verbreitet ist. Dabei handelt es sich um einen Hochgeschwindigkeits-Computer-Erweiterungsbus-Standard, der als gemeinsame Motherboard-Schnittstelle zwischen den Prozessoren und anderen Schlüsselkomponenten wieGrafikkarten, SSDs, NIC und mehr dient. Werden PCIe-SSDs in Zukunft einen Platz in den größeren Automobilsystemen haben? Die Antwort lautet ja! In diesem Artikel wird die Entwicklung von PCIe in Automobilanwendungen ausführlich beschrieben.
Der Beginn von PCIe-SSDs
Bis Ende 2021 hatte Tesla schrittweise seine Prozessoren der Intel Atom A3950-Serie durch AMD Ryzen-Prozessoren ersetzt und diese in allen Fahrzeufmodellen eingesetzt, um seine leistungsstärkeren Cockpitsysteme zu unterstützen. Dadurch wurden nicht nur Video-Streaming-Plattformen wie YouTube und Netflix erheblich verbessert, sondern auch die reibungslose Bedienung des Browsers erhöht, ein reaktionsfähigeres und schnelleres Touchscreen-Erlebnis geschaffen sowie den Benutzern ermöglicht, Tesla Arcade und Steam Spielpattform zu genießen.
Dieses beispiellose Cockpit-Erlebnis hängt nicht nur einem leistungsstarken Prozessor ab, sondern erfordert auch von eine PCIe-SSD mit großer Kapazität und schneller Lese- und Schreibleistung. Mit der Einführung einer 256GB PCIe-Gen3-SSD war Tesla der erste führende Automobilhersteller, der PCIe-SSDs in großem Umfang als Speicherlösung im Fahrzeug einsetzte. Der erste Grund für den Wechsel auf PCIe-SSDs war die Bereitstellung eines besseren Benutzererlebnisses. Der zweite Grund waren SoCs, die PCIe als Speicherschnittstelle für Datenspeicherung unterstützten. Es spielten auch andere Schlüsselfaktoren eine Rolle, beispielsweise die sich rasant entwickelnde Elektronikarchitektur in Fahrzeugen.
Abbildung 1: Das moderne Automobilsystem verfügt über umfangreiche Anwendungen zur Verbesserung des Benutzererlebnisses
"Server auf Rädern" und ihre Auswirkungen auf die Nachfrage nach PCIe-SSDs
Wir haben das Thema der Konsolidierung elektronischer Steuergeräte (ECU) in vorherigen Artikeln diskutiert. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass mit zunehmender Nutzung der Digitalisierung und Elektrifizierung die Anzahl der Steuergeräte, die ein Fahrzeug benötigt, immer weiter zunimmt. In Anbedracht von Designkosten, Supply Chain Management, Platz- und Gewichtbeschränkungen, Tests und Verifizierung sowie Fertigungsressourcen besteht der Trend hin zu einer sogenannten "zentralisierten Domänenarchitektur" anstelle der verteilten elektrischen/elektronischen (E/E)-Architektur. Verschiedene Domänencontroller sind für Aufgaben mit unterschiedlichen Funktionalitäten verantwortlich, wie beispielsweise Fahrerassistenzsysteme (ADAS), Antriebsstrang und Infotainment, und vereinen eine große Anzahl ähnlicher Steuergeräte für Berechnungen und Datenspeicherung. Die zentralisierte Domänenarchitektur ähnelt dem, was wir in Teil 1 unserer Serie besprochen haben.
Wir haben das Thema der Konsolidierung elektronischer Steuergeräte (ECU) in vorherigen Artikeln diskutiert. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass mit zunehmender Nutzung der Digitalisierung und Elektrifizierung die Anzahl der Steuergeräte, die ein Fahrzeug benötigt, immer weiter zunimmt. In Anbedracht von Designkosten, Supply Chain Management, Platz- und Gewichtbeschränkungen, Tests und Verifizierung sowie Fertigungsressourcen besteht der Trend hin zu einer sogenannten "zentralisierten Domänenarchitektur" anstelle der verteilten elektrischen/elektronischen (E/E)-Architektur. Verschiedene Domänencontroller sind für Aufgaben mit unterschiedlichen Funktionalitäten verantwortlich, wie beispielsweise Fahrerassistenzsysteme (ADAS), Antriebsstrang und Infotainment, und vereinen eine große Anzahl ähnlicher Steuergeräte für Berechnungen und Datenspeicherung. Die zentralisierte Domänenarchitektur ähnelt dem, was wir in Teil 1 unserer Serie besprochen haben.
Angesichts der schnellen Entwicklung neuer Energie- und autonomer Fahrtechnologien stehen allerdings der elektrische/elektronische (E/E) Architektur im Automobilbereich wieterhin verschiedene Herausforderungen bevor. Fortschrittliche autonome Fahrsysteme umfassen beispielsweise 10 bis 20 Kantensensoren. Können Sie sich vorstellen, dass all diese Sensoren an der Peripherie des Fahrzeugs über ihre einzelnen Kabelbäume mit einem ADAS-Domänencontroller verbunden sind? Offensichtlich muss sich eine große Anzahl von Kabelbäumen über das gesamte Fahrzeug erstrecken, was die Komplexität des Layouts und die Anzahl der Ein- und Ausgänge (I/O) erhöht, die vom Domänencontroller unterstützt werden müssen. Daher ist das Konzept der „zentralisierten Zonenarchitektur“ in den letzten Jahren allmählich Wirklichkeit geworden. Der Unterschied zwischen zentralisierter Zonenarchitektur und herkömmlicher Architektur liegt in der Einführung des Zonencontrollers und des zentral Computers. Zunächst übernimmt der Zonencontroller einige Aufgaben am Rand, wie zum Beispiel:
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- Stromverteilung an eine lokale Region des Fahrzeugs
- Abwicklung der Kommunikation mit Steuergeräten der lokalen Region
- Vorverarbeitung, Aggregierung und Übertragung von Daten an den Zentralrechner
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Der Zentralrechner wird für erweiterte Berechnungen und Funktionen verantwortlich sein, insbesondere für das ADAS und das Infotainmentsystem. Der zentrale Computer im System wird, ähnlich einem Server, über zuverlässige und effiziente Verarbeitungsfähigkeiten verfügen. Gleichzeitig muss es neben hoher Speicherbandbreite und größerer Kapazität auch über einige Speicherfunktionen der Enterprise-Klasse verfügen. Ohne Zweifel deutet dies auf die PCIe-SSD der Enterprise-Klasse hin, die bereits seit geraumer Zeit im Serverumfeld zum Einsatz kommt.
Abbildung 2: Die Weiterentwicklung der E/E-Architektur von Autos wird neue Speicheranforderungen schaffen
PCIe-SSD der Enterprise-Klasse und der sich schnell entwickelnde Automobilmarkt
Bei SSD-Speicherlösungen der Enterprise-Klasse gibt es viele Unterschiede im Vergleich zu eMMC/UFS und SSDs der Consumer-Klasse. Hier sind einige allgemeine Indikatoren und Merkmale von Enterprise-SSDs mit einer einfachen Erklärung, warum diese für das Automobilsystem wichtig sind.
QoS (Quality of Service) und Konsistenz:
QoS ist ein Maß dafür, ob die Latenz und Übertragungsgeschwindigkeit einer SSD auf einem stabilen Niveau bleiben. SSDs der Enterprise-Klasse legen Wert auf vorhersehbare Leistung und nicht auf Leistungssteigerung. Bei der Übertragung großer Mengen kritischer Daten im Fahrzeug dürfen keine unerwarteten Verzögerungen auftreten.
SR-IOV (Single Root I/O Virtualization):
Diese Funktion ermöglicht virtuellen Maschinen den direkten Zugriff auf die physische Funktion (PF) und die virtuellen Funktionen (VFs) innerhalb der PCIe-SSD, ohne den Umweg über einen Hypervisor, zusammen mit ihren entsprechenden Namespaces in einer SSD. Diese Funktion gewährleistet die Unabhängigkeit von I/O-Vorgängen und individuellen Sicherheitseinstellungen. Ein fortschrittliches Cockpit-System kann über zwei bis fünf verschiedene Betriebssysteme verfügen. Beispielsweise können mehrere Android- und Linux-Betriebssysteme zusammen mit AUTOSAR (Automotive Open System Architecture) und ein Echtzeitbetriebssystem (RTOS) vorhanden sein. Jedes dieser Betriebssysteme ist individuell verantwortlich für Funktionen wie Unterhaltung, Fahrerüberwachungssystem (DMS), Head-Up-Display (HUD), Sicherheitssysteme oder grundlegende ADAS-Funktionen. Durch die Aktivierung von SR-IOV können verschiedene Daten isoliert und geschützt werden sowie die Arbeitsbelastung der CPU minimiert werden.
Dual-port/multi-port:
In Rechenzentren von Unternehmen ist Dual-Port zu einer wichtigen Funktion von PCIe-SSDs geworden. Diese Konstruktion bietet nicht nur Schut durch Datenredundanz, sondern ermöglicht auch den gleichzeitigen Zugriff verschiedener Hosts auf die Daten von einer einelnen SSD, wodurch Daten gemeinsam genutzt warden können. In Automobilsystemen mit zentraler Datenverarbeitung ist derzeit kein einzelnes System-on-Chip (SoC) leistungsstark genug, um alle Aufgaben aus verschiedenen Domänen zu bewältigen. Der sogenannte Zentralrechner besteht derzeit tatsächlich aus verschiedenen SoCs. PCIe-SSDs mit Dual-Port-/Multi-Port-Funktionalität können als gemeinsamer Speicher für mehrere SoCs dienen, um Daten gemeinsam zu nutzen, die Kosten eines PCIe-Switches zu sparen und die Zuverlässigkeit durch Redundant Lanes Design zu erhöhen.
Zusätzlich zu den oben genannten drei Punkten gibt es weitere Indikatoren und Technologien, die sich von herkömmlichen SSD- oder Embedded-Speicherlösungen unterscheiden. Dazu gehören Endurance Group, Schutz vor Stromausfall (PLP), Time to Ready (TTR) und weitere Sicherheitsfunktionen. Diese Funktionen hängen stark vom Design des SSD-Controllers und der Entwicklung der Firmware ab. Tatsächlich hat der Joint Electron Device Engineering Council (JEDEC) im Dezember 2022 die Veröffentlichung des JESD312 Automotive Solid State Drive (SSD) Device Standard V1.0 angekündigt. Dieser Standard definiert die Spezifikationen für Automotive-SSDs und zeigt damit die Anerkennung der Branche für die Anwendung von PCIe-SSDs im Automobilmarkt. Als führendes Unternehmen für Speichertechnologie hatte Phison vor der Veröffentlichung dieses Standards bereits zwei Jahre lang in die PCIe-SSD-Technologie für den Automobilbereich investiert.
Phisons führende Position in der Technologie-Evolution der automobilen Speicherlösungen
Im Hinblick auf Automobilanwendungen ist der Bedarf an Datenübertragung und -berechnung in Automobilsystemen in den letzten Jahren rasant gestiegen. Neben Automobilhersteller und Tier-1-Zulieferer, welche allmählich SoCs mit PCIe-Schnittstelle nutzen, werden auch zukünftige Systemanforderungen eng mit den bestehenden PCIe-SSD Lösungen in Unternehmens- und Rechenzentrumsumgebungen angepasst sein. Es ist zu erwarten, dass die Bedeutung von PCIe-SSDs in Automobilsystemen sukzessive zunehmen wird.
Wie bereits erwähnt, hat Phison bereits seit 2020 stark in PCIe-Gen4-SSD Lösungen für die Automobilindustrie investiert. Darüber hinaus pflegen wir eine intensive Zusammenarbeit mit NAND-Flash-Herstellern, Automobilherstellern, Tier-1-Zulieferern sowie SoC-Lieferanten, um sicherzustellen, dass unsere Produkte den sich schnell entwickelnden Anforderungen des Automobilmarktes gerecht werden. Im kommenden Jahr werden wir nicht nur herkömmliche PCIe-Gen4-SSDs anbieten, sondern auch automotive PCIe-Gen4-SSDs der Enterprise-Klasse mit verschiedenen fortschrittlichen Technologien in unserem Produktportfolio führen, um den Anforderungen hochmoderner Automobilsysteme zubefriedigen.
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