Warum Speicher- und Speicherlösungen der Schlüssel zu einem reichhaltigen Automobilerlebnis sind

Author Sebastien Jean & Rick Wang | 29. August 2022 | Alle, Automobil

In diesem Artikel (kürzlich veröffentlicht in bearbeitet von Zukunftsfahrt) erfahren Sie, wie die modernen On-Board-Speicher- und Speicherlösungen dazu beitragen, die Leistung, Qualität, Zuverlässigkeit und Sicherheit von Kraftfahrzeugen neu zu definieren.

Autos sind heute viel mehr als nur ein Fortbewegungsmittel. Zusammen mit anderen modernen Geräten nutzen sie die Mensch-Computer-Interaktion (HCI), um zu Minizentren für Kommunikation, Information und Unterhaltung zu werden. Innovationen in der Automobiltechnologie – ermöglicht durch ständige Datenerfassung und -analyse – treiben Konnektivität und Automatisierung auf beispiellosem Niveau voran.

Daten und Technologie vereinen sich, um Fahrern und Passagieren eine völlig neue Welt an Erlebnissen im Fahrzeug zu bieten. Autos ermöglichen nicht nur die Kartierung und Verfolgung einer Vielzahl von Fahrzeug- und Umgebungsparametern, sondern analysieren auch die Verhaltensmuster der Passagiere, um jederzeit fortschrittliche Lebensstiloptionen zu ermöglichen.

Alles in allem strebt die Automobilindustrie die Entwicklung autonomer Fahrzeuge (AVs) an, die mit wenig menschlichem Eingreifen sicher fahren können und gleichzeitig den Passagieren auf ihren Reisen Komfort und reichhaltige Erlebnisse bieten. Technologierahmen wie fortschrittliche Fahrerassistenzsysteme (ADAS) machen dies mithilfe von Fahrzeug-KI und Sensortechnologie möglich.

Quelle: McKinsey

Diese Systeme ermöglichen eine sofortige Entscheidungsfindung anhand von Echtzeitdaten, um Komfort und sicheres Fahren mit kaum oder gar keinem menschlichen Eingriff zu gewährleisten. Derzeit wird davon ausgegangen, dass AVs mit Level-3-Fähigkeiten (bedingte Automatisierung) weit verbreitet sind bis 2024 auf den Straßen zu sehen sein, während diejenigen mit Fähigkeiten der Stufe 4 (hohe Automatisierung) Pilotprogramme auf Autobahnen starten könnten bereits im Jahr 2025.

Es versteht sich von selbst, dass diese Automobilsysteme enorme Datenmengen erzeugen und verarbeiten. Beispielsweise erzeugt ein autonomes Google-Auto ca. 1 GB/s. Angesichts der Tatsache, dass der durchschnittliche Autofahrer in den USA etwa 600 Stunden pro Jahr fährt, würde dies einen Datenspeicher- und -verarbeitungsbedarf von unglaublichen 2 Petabyte (PB) pro Jahr und Auto bedeuten!

Und das Kfz-Lagerung Die Anforderungen hören hier nicht auf. Es stellt sich die Frage der Konnektivität. A Studie von Dell geht davon aus, dass es bis 2030 90 Millionen angeschlossene AVs geben wird, die zusammen täglich 1 Zettabyte (ZB) erzeugen werden.

Schließlich gibt es noch das In-Vehicle-Infotainment-System (IVI), das es schon seit Jahrzehnten gibt. Dazu gehören die audiovisuellen Unterhaltungssysteme für Passagiere sowie Navigation und Telematik, die dem Fahrer 3D-Karten, Wegbeschreibungen, Verkehrsbedingungen usw. bereitstellen. Obwohl es Streaming-Optionen gibt, sind Datenverbindungen nicht immer zuverlässig. Um diesem Szenario zu begegnen, bieten die meisten Streaming-Dienste die Möglichkeit, lokale Kopien von zu Hause herunterzuladen. Dieser Trend wird wahrscheinlich nicht verschwinden und der Bedarf an Stauraum im Auto weiter steigen.

Die offensichtliche Lehre daraus ist, dass OEMs, Tier-1-Automobilteile und Speicher-/Speicherlieferanten sofort mit der Planung beginnen müssen, um dieser Nachfrage gerecht zu werden, sofern sie dies noch nicht getan haben.

Die steigende Nachfrage nach Kfz-Lagerung

Wie wir bereits festgestellt haben, geht der Arbeitsspeicherbedarf in modernen Autos nur in eine Richtung: nach oben. Während jeder Automobilhersteller versucht, die Konkurrenz zu schlagen, indem er mehr datengesteuerte Funktionen anbietet, rechnen wir mit einem Angebot, das mit der Zeit zunimmt:

- - Telematik- und V2X-Anwendungen – 8 GB bis 64 GB
  - Infotainment – 64 GB bis 512 GB
  - HD-Mapping – 16 GB bis 128 GB
  - Armaturenbrettkamera – 8 GB bis 128 GB
  - Digitales Kombiinstrument – 8 GB bis 32 GB
  - ADAS – 8 GB bis 128 GB
  - Unfallaufzeichnung – 8 GB bis 256 GB

Insgesamt beläuft sich die geschätzte tägliche Datenspeicherung für ein modernes Auto pro Tag auf 3 bis 4 TB pro Tag. In naher Zukunft werden diese Anforderungen nur noch steigen, da AVs zur Norm werden.

Quelle: Kontrapunktforschung

Während viele dieser Daten letztendlich in der Cloud oder sogar auf Edge-Servern übertragen und dort gespeichert werden können, erfordern viele der Echtzeit- und automatischen Aktionen eine lokale Verarbeitung und Analyse. Dies erfordert einen Speicher mit hoher Kapazität, hoher Leistung und geringer Latenz im Auto.

Die Entwicklung der Automobilspeichertechnologie

Die zunehmende Speicherung, Verarbeitung und Ausgabe von Daten im Automobil erfordert einen schnellen und belastbaren Onboard-Speicher.

Wenn der Motor eines Autos eingeschaltet wird, müssen die Kombiinstrumente, Steuergeräte, Rückfahrkameras usw. in weniger als einer Sekunde hochfahren und betriebsbereit sein.

NAND-Flash-Speicher sind für diese Anwendungen ideal geeignet und die heutigen Autos sind bereits auf Flash-Medien umgestiegen. Im Gegensatz zu Festplatten, die hochgefahren werden müssen, ist NAND-Flash ein Solid-State-Speicher und kann in weniger als 100 Millisekunden zum Leben erweckt werden, verglichen mit 20 bis 30 Sekunden bei Festplatten. Darüber hinaus ist Flash im Gegensatz zu SRAM und DRAM, die zur Aufrechterhaltung der gespeicherten Informationen mit Strom versorgt werden müssen, von Natur aus nichtflüchtig.

Obwohl NOR existiert und einige Vorteile gegenüber NAND bietet, ist es aufgrund seiner geringen Dichte in Ungnade gefallen. Heutzutage wird es häufig als Ersatz für eFuse oder ROM-Bootcode verwendet, während NAND-Flash-Speicher hauptsächlich zur Datenspeicherung verwendet wird. Sie werden manchmal zu gemeinsam genutzten Speicherclustern zusammengefasst, die mehrere Anwendungsfälle bewältigen können, darunter:

- - Leseintensives IVI und Navigation
  - Schreibintensive Event-Data-Recorder-Systeme (EDR), bestehend aus vorderen/hinteren Onboard-Kameras
  - Edge-Gateways und IoT-Sensorvalidierung
  - Fahrzeugverfolgungs- und Flottenmanagementsysteme
  - ADAS und Fahrerüberwachungssysteme (DMS)

Den Controllern dieser Speichercluster können erweiterte Aufgaben wie Protokollierung, Analyse und Hoch-/Herunterladen von Daten von Cloud- und Edge-Servern übertragen werden.

In den Anfängen von Automotive-Flash basierte die Speicherung auf dem vom Joint Electron Device Engineering Council (JEDEC) definierten Embedded Multimedia Controller (eMMC)-Standard. Es handelte sich einfach um ein integriertes Paket aus NAND-Flash-Speicher und seinem Controller mit einer Bandbreite von 100–200 MB/s.

Obwohl sich die Leistung von eMMC verbesserte, konnte es nur Halbduplex-Lese-/Schreibvorgänge ausführen, die entweder Lesen oder Schreiben, aber nicht beides gleichzeitig, ermöglichten. JEDEC entwickelte dann das Universal Flash Storage (UFS)-Standard das eine serielle LVDS-Schnittstelle (Low-Voltage Differential Signaling) mit separaten Lese- und Schreibpfaden verwendete, die eine Vollduplex-Datenübertragung ermöglichte, um gleichzeitiges Lesen/Schreiben mit einer Spitzenbandbreite von 2900 MB/s (UFS3.0) zu ermöglichen. Diese Bandbreite kann 400 MB/s von eMMC 5.1 übertreffen. Es gibt auch einen wachsenden Trend zur Einführung von NVMe Gen4 (7000 MB/s) und Gen5 (14.000 MB/s) SSDs.

Wichtige Überlegungen und Herausforderungen bei der Automobillagerung

Vor weniger als einem Jahrzehnt hätten Autohersteller nicht direkt mit Speicherunternehmen gesprochen. Sie diskutierten höchstens Chipsatzoptionen mit Tier-1-Anbietern. Allerdings stellt NAND-Flash-Speicher mittlerweile einen wichtigen Teil der Stückliste dar, was Automobilhersteller dazu zwingt, direkt mit Herstellern von Speichergeräten und Flash-Speichern zusammenzuarbeiten und sogar das Datenspeicherdesign intern zu übernehmen. Dies ist eine erhebliche Wachstumschance für die NAND-Flash-Branche sowie die SSD-Branche – der Automobilmarkt wird sich im Zuge der Entwicklung hin zu vernetzten und autonomen Fahrzeugen zu einem wichtigen Kundensegment entwickeln.

Von Autos und Lastwagen wird heute erwartet, dass sie ein Erlebnis bieten, das über das hinausgeht, was heutige Mobiltelefone leisten können. Kunden wünschen sich Anwendungen der nächsten Generation in den Bereichen Infotainment, ADAS und Cloud-Konnektivität mit unterschiedlichen Speicheranforderungen in Bezug auf Kapazität, Schnittstelle, Geschwindigkeit, funktionale Sicherheit, Datenintegrität, Zuverlässigkeit und Lebensdauer. Das bedeutet, dass eMMC gut für Karten und GPS-Navigation geeignet ist, UFS IVI mit Hochgeschwindigkeits-Lesevorgängen unterstützen kann, während PCIe NVMe sich hervorragend für die Synchronisierung mit einer zentralisierten Fahrzeugarchitektur und AI/ML-basierten Anwendungen eignet.

Lassen Sie uns die verschiedenen Funktionen für die Aufbewahrung im Auto bewerten:

Leistung

Autohersteller greifen zunehmend auf PCIe-SSDs zurück, um möglichst viele Speicheranforderungen zu erfüllen. PCIe-SSDs bieten im Vergleich zu UFS und eMMC eine schnellere sequentielle und zufällige Lese-/Schreibleistung. Darüber hinaus sind SR-IOV, Zone Namespace und Dual-Port, die von NVMe unterstützt werden, wichtige Elemente, die die Effizienz mehrerer virtueller Maschinen steigern können, die auf dem zentralen System in einem Auto laufen. Sie eignen sich hervorragend für Infotainment- und ADAS-Anwendungen.

Qualität

Im Automobilsektor gelten strenge Qualitätsanforderungen (in vielen Fällen an Vorschriften gebunden). Autohersteller fordern ein extrem niedriges DPPM-Verhältnis (Defective Parts Per Million), was für jeden Flash-, Chip- oder Controller-Hersteller eine schwierige Aufgabe ist. Die IATF 16949-Zertifizierung legt den Schwerpunkt auf die Entwicklung eines prozessorientierten Qualitätsmanagementsystems, das für kontinuierliche Verbesserung, Fehlervermeidung und Reduzierung von Abweichungen und Verschwendung in der Lieferkette sorgt. Speicherlieferanten müssen sich daran halten, um ein Automobilunternehmen zu gewinnen.

Zuverlässigkeit

NAND-Speicher ist für eine lange Lebensdauer über einen typischen Betriebstemperaturbereich von 0 bis 100 °C optimiert°C bis 80°C. Autohersteller benötigen häufig Speichergeräte für den Betrieb Temperaturbereiche von -40° bis 125°C. Konkret achten sie auf die AEC-Q100-Zertifizierung, die bedeutet, dass das Gerät bestimmte Belastungstests bestanden hat und ein Mindestmaß an Zuverlässigkeit garantiert.

Sicherheit

Für Automobil-Halbleiterunternehmen ist die Einhaltung von ISO 26262 oder der Norm für funktionale Sicherheit von großen internationalen Herstellern erforderlich. Funktionale Sicherheit ist definiert als das Fehlen unangemessener Risiken aufgrund von Gefahren, die durch Ausfälle oder unbeabsichtigtes Verhalten elektrischer und elektronischer Systeme verursacht werden. In der Praxis bedeutet das, dass Designer jedes Fehlerszenario durchgehen und sicherstellen müssen, dass sie sehr schnell erkannt werden können. Alle Geräte müssen einen sicheren Fallback-Zustand bieten, falls etwas schief geht. Die Zertifizierung zur Funktionalen Sicherheit ist ein wichtiger Validierungspunkt und ein Meilenstein auf dem Weg zur Entwicklung von Automobilspeicherlösungen, die zu sichereren Fahrzeugen führen.

Für die Branche ist es von entscheidender Bedeutung, Produkte einzusetzen, die über integrierte Mechanismen zur Fehlererkennung und -korrektur verfügen, die zu einer konstant besseren Qualität und Ausfallraten von nahezu Null für Automobilpartner führen. Das Verständnis der Empfindlichkeiten und Vorschriften auf dem Automobilmarkt stärkt das Qualitätsmanagement auf Designebene, um beste Ergebnisse sowohl für Automobilhersteller als auch für Endkunden von Fahrzeugen zu gewährleisten.