자동차 시스템에서 PCIe SSD의 중요성의 증가

본 글은 자동차 저장소에 관한 5부작 시리즈의 세 번째 글로, 이번 글에서는 현대 차량에서 PCIe SSD의 역할과 PCIe가 왜 중요해지고 있는지 살펴보겠습니다.

이전 글에서는 자동차 시스템의 내장 저장 솔루션으로서의 eMMC와 UFS의 역할에 대해 논의하였으며, UFS가 더 느린 eMMC를 점차 대체하고 있다는 내용을 다루었습니다. 그러나 우리는 모두 PCIe 기술이 PC 및 서버 시스템에서 널리 사용된다는 것을 알고 있습니다. PCIe는 고속 컴퓨터 확장 버스 표준으로, 프로세서와 그래픽 카드, SSD, NIC 등 포함한 주요 구성 요소 간의 공통된 마더보드 인터페이스로 작동합니다. PCIe SSD는 향후 대형 자동차 시스템에서도 자리를 확보할 수 있을까요? 그 대답은 “예”입니다! 이 글은 자동차 응용 분야에서 PCIe의 발전에 대한 자세한 설명을 제공할 것입니다.

읽기: 조종석이 "더 스마트해짐"에 따라 자동차 보관 요구 사항도 진화합니다.

자동차 응용분야에 있어서 PCIe SSD의 시작

2021년 말, 테슬라는 인텔 Atom A3950 시리즈 기반의 프로세서를 AMD Ryzen 프로세서로 점차 교체하고, 더 강력한 코크핏 시스템을 지원하기 위해 모든 차량 모델에 이를 배치했습니다. 이로써 YouTube와 Netflix와 같은 비디오 스트리밍 플랫폼이 크게 개선되었고, 브라우저의 원활함이 향상되며 더 빠른 터치 스크린 경험이 가능해지며, 사용자들은 테슬라 아케이드와 Steam 게임을 할 수 있게 되었습니다.

이 전례 없는 코크핏 경험은 강력한 프로세서뿐만 아니라 빠른 읽기 및 쓰기 성능을 갖춘 대용량 PCIe SSD가 필요합니다. 256GB PCIe 3.0 SSD를 채택함으로써, 테슬라는 차량 내 저장소 솔루션으로 PCIe SSD를 광범위하게 사용하는 선도적인 자동차 제조업체가 되었습니다. PCIe SSD로의 전환의 첫 번째 이유는 더 나은 사용자 경험을 제공하기 위함 이었습니다. 두 번째 이유는 저장소 인터페이스로서 PCIe를 지원하는 SoC였습니다. 자동차 전자 구조의 진화와 같은 다른 중요한 요인들도 작용했습니다.

그림 1: 현대 자동차 시스템에는 사용자 경험을 향상시키는 다양한 애플리케이션이 있습니다.

자동차 에서의 서버는 PCIe SSD 수요를 열어갈 것입니다

이전 글에서는 전자 제어 장치(ECU) 통합에 대한 주제를 다뤘습니다. 간단히 말해, 디지털화와 전기화의 증가로 인해 자동차가 필요로 하는 ECU의 수가 계속 증가하고 있습니다. 오늘날 분산된 전기/전자(E/E) 구조는 설계 비용, 공급망 관리, 공간과 무게, 테스트 및 검증, 제조 자원 등을 고려해야 함을 의미합니다. 따라서 "중앙 집중식 도메인 구조"로의 전환이 진행되고 있습니다. 다양한 도메인 컨트롤러는 고급 운전자 지원 시스템(ADAS), 파워트레인 및 인포테인먼트와 같은 다양한 기능의 작업을 담당하며, 계산 및 데이터 저장을 위해 많은 수의 유사한 ECU를 결합시킵니다. 중앙 집중식 도메인 구조는 저희 시리즈의 첫 번째 부분에서 논의한 내용과 유사합니다.

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이전 글에서는 전자 제어 장치(ECU) 통합에 대한 주제를 다뤘습니다. 간단히 말해, 디지털화와 전기화의 증가로 인해 자동차가 필요로 하는 ECU의 수가 계속 증가하고 있습니다. 오늘날 분산된 전기/전자(E/E) 구조는 설계 비용, 공급망 관리, 공간과 무게, 테스트 및 검증, 제조 자원 등을 고려해야 함을 의미합니다. 따라서 "중앙 집중식 도메인 구조"로의 전환이 진행되고 있습니다. 다양한 도메인 컨트롤러는 고급 운전자 지원 시스템(ADAS), 파워트레인 및 인포테인먼트와 같은 다양한 기능의 작업을 담당하며, 계산 및 데이터 저장을 위해 많은 수의 유사한 ECU를 결합시킵니다. 중앙 집중식 도메인 구조는 저희 시리즈의 첫 번째 부분에서 논의한 내용과 유사합니다.

그러나 신재생 에너지 및 자율주행 기술의 빠른 발전으로 자동차 E/E 구조는 여전히 다양한 도전을 맞이하고 있습니다. 예를 들어, 고급 자율주행 시스템은 10~20개의 엣지 센서를 포함합니다. 자동차 주변에 위치한 이러한 센서들이 개별 와이어 하네스를 통해 ADAS 도메인 컨트롤러에 연결되는 것을 상상해보십시오. 분명히 많은 수의 와이어 하네스가 전체 차량을 가로지르게 될 수 있으며, 배치의 복잡성과 도메인 컨트롤러가 지원해야 할 입력 및 출력(I/O)의 수가 증가하게 됩니다. 따라서 "중앙 집중식 영역기반 아키텍처" 개념이 최근 몇 년 동안 점차 현실이 되고 있습니다. 중앙 집중식 영역기반 아키텍처와 전통적인 아키텍처와의 차이점은 영역기반 컨트롤러와 중앙 컴퓨터의 도입에 있습니다. 먼저, 영역기반 컨트롤러는 다음과 같은 작업을 처리할 것입니다:

• • • 차량의 지역적인 영역에 전원 분배
    • 지역적인 영역 ECU와의 통신 처리
    • 데이터를 전처리하고 집계하여 중앙 컴퓨터로 전송

중앙 컴퓨터는 고급 계산과 기능을 담당할 것이며, 특히 ADAS와 인포테인먼트 시스템에 대한 것입니다. 시스템의 중앙 컴퓨터는 서버와 유사하게 신뢰성 있고 효율적인 처리 능력을 갖추어야 합니다. 동시에 높은 저장소 대역폭과 더 큰 용량 뿐만 아니라 몇 가지 엔터프라이즈급 저장소 기능을 갖추어야 합니다. 의심의 여지 없이 이는 서버 환경에서 오랫동안 사용된 엔터프라이즈급 PCIe SSD를 가리킵니다.

그림 2: 자동차 E/E 아키텍처의 발전으로 인해 새로운 스토리지 요구 사항이 발생합니다.

기업용 PCIe SSD가 빠르게 진화하는 자동차 시장의 요구사항을 만족시킨다

기업용 SSD 스토리지 솔루션에서는 eMMC/UFS 및 소비자용 SSD와 비교하여 많은 차이점이 있습니다. 다음은 기업용 SSD의 공통적인 지표와 기능 몇 가지를 소개하며, 이들이 자동차 시스템에 왜 중요한지에 대한 간단한 설명입니다.

QoS (Quality of Service)와 일관성:

이는 SSD의 지연 시간과 전송 속도가 안정된 수준을 유지하는지를 측정한 것입니다. 기업용 SSD는 부스트 성능보다 예측 가능한 성능을 우선시합니다. 자동차에서 중요한 데이터를 대량으로 전송하는 과정에서 예상치 못한 지연은 허용되지 않습니다.

SR-IOV (Single Root I/O Virtualization):

이 기능은 가상 머신이 PCIe SSD의 물리적 기능 (PF)과 가상 기능 (VF)에 하이퍼바이저를 통과하지 않고 직접 액세스할 수 있도록 해주며, SSD 내의 해당 네임스페이스도 포함됩니다. 이 기능은 I/O 작업의 독립성과 개별 보안 설정을 보장합니다. 고급 조종석 시스템은 두 개에서 다섯 개의 다른 운영 체제를 가질 수 있습니다. 예를 들어, 여러 개의 Android 및 Linux 운영 체제가 있을 수 있으며, 이 외에도 AUTOSAR (자동차 개방형 시스템 아키텍처) 및 실시간 운영 체제 (RTOS)가 있을 수 있습니다. 각각은 엔터테인먼트, 운전자 모니터링 시스템 (DMS), 헤드업 디스플레이 (HUD), 안전 시스템 또는 기본 ADAS 기능과 같은 기능을 담당합니다. SR-IOV를 활성화하여 다른 데이터를 격리하고 보호하며 CPU 작업 부하를 최소화할 수 있습니다.

듀얼 포트/멀티 포트:

기업용 데이터 센터 환경에서는 듀얼 포트가 PCIe SSD의 중요한 기능이 되었습니다. 이 설계는 데이터 중복성 보호를 제공하는데 더불어 서로 다른 호스트가 단일 SSD에서 데이터에 액세스할 수 있도록 하여 데이터 공유를 가능하게 합니다. 중앙 집중식 컴퓨팅을 갖춘 자동차 시스템에서는 현재 단일 시스템 온 칩 (SoC)이 다양한 도메인에서 발생하는 모든 작업을 처리하는데 충분히 강력하지 않기 때문에 현재의 "중앙 컴퓨터"는 사실 다양한 SoC로 구성됩니다. 듀얼 포트/멀티 포트 기능을 갖춘 PCIe SSD는 여러 SoC가 데이터를 공유하기 위한 공유 스토리지로 작용하여 PCIe 스위치 비용을 절약하고 중복 레인 디자인을 통해 신뢰성을 향상시킬 수 있습니다.

위의 세 가지 포인트 외에도 내구성 그룹, 전원 손실 보호 (PLP), 준비 시간 (TTR) 및 추가 보안 기능과 같은 다른 지표와 기술들이 일반 SSD나 내장형 스토리지 솔루션과 구별되는데 이러한 기능들은 SSD 컨트롤러의 설계와 펌웨어 개발에 크게 의존합니다. 사실, JEDEC (Joint Electron Device Engineering Council)는 2022년 12월에 자동차용 SSD 장치 표준인 JESD312 Automotive Solid State Drive (SSD) Device Standard V1.0을 발표했습니다. 이 표준은 자동차용 PCIe SSD의 사양을 정의하며, 이를 통해 산업이 자동차 시장에 PCIe SSD의 적용을 인정하고 있음을 나타냅니다. 주요 스토리지 기술 회사인 Phison은 이 표준이 발표되기 2년 전부터 이미 자동차용 PCIe SSD 기술에 투자를 시작했습니다.

읽기: 자동차 데이터 스토리지의 미래를 바라보는 Phison의 Michael Wu

Phison: 자동차 시장의 저장장치 요구에 발맞추어 최적의 솔루션을 제공.

자동차 응용 분야에서 수년간 데이터 전송 및 계산 요구가 급격히 증가하고 있습니다. PCIe 인터페이스를 지원하는 SoC를 점차 채택하는 자동차 제조업체와 Tier 1 공급업체뿐만 아니라 미래 시스템 요구 사항도 기존 엔터프라이즈 및 데이터 센터 환경에서 사용되는 PCIe SSD 솔루션과 밀접하게 부합합니다. PCIe SSD가 자동차 시스템에서 중요성을 점차적으로 키울 것으로 기대됩니다.

앞서 언급한 대로 Phison은 이미 2020년부터 자동차용 PCIe Gen4 SSD 솔루션에 대한 큰 투자를 시작했습니다. 또한 NAND 플래시 제조업체, 자동차 제조업체, Tier 1 공급업체 및 SoC 공급업체와 깊은 기술적 협력에 참여하여 제품이 빠르게 진화하는 자동차 시장의 요구를 충족시킬 수 있도록 하였습니다. 다가오는 해에는 기존의 자동차용 PCIe Gen4 SSD뿐만 아니라 다양한 고급 기술을 갖춘 엔터프라이즈급 자동차용 PCIe Gen4 SSD를 제공할 예정입니다.