未來汽車的重要儲存技術 - PCIe SSD

作者 Rick Wang | 2023 年 9 月 13 日 | 全部, 汽車, 精選

這是關於汽車數據儲存方案系列文章中五篇的第三篇。在本文中，我們將探討PCIe SSD在現今汽車中所扮演的角色以及我們為何會認為它將越來越重要。

在先前的文章中，我們討論了eMMC 與 UFS這種嵌入式儲存方案在汽車系統中扮演的腳色，以及UFS是如何逐漸取代了較低速的eMMC。然而，我們都知道PCIe技術被廣泛地用在個人電腦與伺服器的系統中，也包括CPU、SoC與GPU、Wi-Fi、藍芽與SSD等終端裝置的訊號傳輸上。未來，究竟龐大的汽車系統中是否會有PCIe SSD的一席之地呢? 答案是肯定的！這篇文章將會針對PCIe在汽車中的發展做出詳細的解釋。

PCIe SSD首次進入汽車系統

在 2021年底，電動車大廠Tesla逐步將其基於Intel Atom A3950系列的處理器更換成客製化的AMD Ryzen系列處理器，並部署到全面的車型中來支持其更強大的座艙系統，提供了影片串流如YouTube, Netflix、提升瀏覽器的流暢度、更靈敏快速的觸控螢幕體驗、與遊玩Tesla Arcade及Steam遊戲。

這樣前所未見的座艙體驗除了仰賴算力強大的處理器以外，也需要能夠快速寫入與讀取並具有足夠大容量的PCIe SSD才行。於是，Tesla採用了256GB的PCIe3.0 SSD，這也是車用市場上第一個大量使用PCIe SSD做為車用儲存方案的座艙系統。關於未來車用PCIe SSD的需求，提升使用者體驗是一個關鍵因素，SoC支持PCIe作為儲存介面也是箇中原因。而事實上未來的車用儲存技術，還有其他關鍵因素在醞釀著，比如說 - 更新穎的汽車電子電氣架構。

圖1：現代汽車系統擁有豐富的應用來增強用戶體驗

汽車架構轉換，將開啟PCIe SSD需求

我們已經在先前的文章中討論過了”ECU Consolidation”(電子控制單元集中化)的議題，簡單來說，隨著數位化以及電子化，一台車所需要的ECU數量不斷上升，時至今日，分散式的電子電氣架構已經因為設計成本、供應鏈管理、空間與重量、測試驗證及製造資源的考量，從而轉向了所謂的中心化域控架構 (Centralized Domain Architecture)，因應運算特徵的不同，不同域控制器(Domain Controller)負責不同域(Domain)的運算任務，包括ADAS、動力總成、資訊娛樂系統、車身控制等域功能，這些域控制器(Domain Controller)把大量的ECU運算與資料儲存，結合在一起，這樣的架構類似我們在系列文章第一篇中所列舉的。

然而，隨著新能源技術與自動駕駛技術的演進，這仍然不夠，汽車電子電氣架構仍面臨著各式各樣的挑戰。舉例來說，高階的自動駕駛系統涉及10-20個終端傳感器，各位能想像這些安置在汽車邊緣的終端傳感器全部都透過各自獨立的線束連接到一個ADAS域控制器嗎? 顯而易見的，大量線束可能需要橫跨整個車身，而這將會提升線束布局的複雜性，而域控制器所要支援的I/O數量也會大幅提升，因此，中心化區域架構(Centralized Zonal Architecture)的設計在近幾年逐漸成為一個重要的發展方向，與之前不同的地方就在於引進了區域控制器(Zonal Controller)與中央運算單元(Central Computer)的組合與分工，首先區域控制器(Zonal Controller)將會處理邊緣端的任務，列舉如下：

- - 供應與分配邊緣端的電力
  - 處理各區域ECU之間的資料溝通
  - 預先運算處理、集成資料並傳輸至中央運算單元

至於中央運算單元(Central Computer)則將負責更高級別的運算與功能，好似一台伺服器，具備可靠以及高效的處理能力。而該使用場景對於儲存的需求，除了更高速的傳輸速度與更大的儲存空間外，也需具備企業級(Enterprise-class)的特殊功能，這指向了長期應用於伺服器系統的PCIe SSD。

圖2：汽車E/E架構的演進將帶來新的存儲需求

企業級PCIe SSD遇上快速演化的車用市場

在企業級PCIe SSD儲存方案中，有許多與嵌入式儲存方案eMMC/UFS以及消費級SSD不同之處，以下是幾個企業級SSD常見的指標與技術，與他們在車載系統中的需求。

QoS(Quality of Service) 與一致性(Consistency)

這是衡量SSD的延遲與傳輸速度是否穩定的指標，一般的企業級SSD更在乎的是可預測性效能(Predictable Performance)，而非Boost Performance。在汽車中傳輸大量關鍵數據的過程中，出乎預料的延遲是不被允許的。

SR-IOV(Single Root I/O Virtualization)

這項功能允許虛擬機不須經由虛擬機管理程式(Hypervisor)便可直接透過PCIe SSD中的物理功能(Physical Function) / 虛擬功能(Virtual Functions)，存取其對應的命名空間(Namespace)，這項功能確保了I/O的獨立以及個別的安全性設置。一個先進的汽車座艙系統，可能有著2-5個不同的作業系統，舉例來說，Android、 Linux、 RTOS、 AUTOSAR等，這些作業系統負責處理著座艙中的多種應用包括娛樂系統、駕駛監控系統(Driver Monitoring System)、抬頭顯示(Head-up Display)、或是更多自動駕駛相關的功能。啟用SR-IOV，省去虛擬機管理程式可以降低SoC的工作負載，不同安全等級的數據可以被獨立與保護，需要被滿足的優先順序也可以得到保證。

Dual-port / Multi-port

在企業/數據中心的環境中，雙阜(Dual-port)已經是企業級PCIe SSD重要且常見的設計，不僅能夠提供數據的冗餘保護，也能夠讓多個Host同時獲取單一SSD中的數據，形成數據的共享。在中心運算的汽車系統中，目前市場上還沒有一個足夠強大的SoC能夠處理所有的任務，所謂的中央運算單元還多是由不同的SoC所共構而成，具有Dual-port / Multi-port功能的PCIe SSD能夠作為一個共享資料池，省去PCIe Switch並透過冗於鏈路提升可靠度。

除了上述三點之外，其他不同於傳統嵌入式儲存裝置與消費級SSD的重要指標與技術也包括Endurance Group、Power Loss Protection(PLP)、Time to Ready(TTR)、Security等等。上述這些功能與特性非常仰賴SSD控制晶片設計與韌體的開發技術。事實上JEDEC(Joint Electron Device Engineering Council)在2022年12月發布了 JESD312 (Automotive Solid State Drive (SSD) Device Standard V1.0)，內容定義了車用SSD的標準與規範，由此可見，PCIe SSD在汽車市場的應用，已經受到業界的重視。當然，作為儲存技術的領導廠商，群聯電子對於車用PCIe SSD的技術布局，比這份規範發布的時間還要更早了兩年。

群聯電子如何領先車用儲存技術的演化

在汽車應用方面，近年來汽車系統內的數據傳輸和計算需求不斷增長。除了汽車製造商和一級供應商逐漸採用支援PCIe接口的SoC之外，我們預期，未來汽車系統需求也與現有的企業級PCIe SSD解決方案密切相關。相信在汽車電子電氣系統中，PCIe SSD的重要性將逐漸增加。

正如前面提到的，群聯電子自2020年起已開始大力投資於汽車PCIe Gen4 SSD解決方案。群聯還與NAND Flash製造商、汽車製造商、一級供應商和SoC供應商進行了深入的技術與商務合作，以確保群聯電子的產品滿足快速變化的汽車市場需求。在未來一年裡，我們不僅將提供傳統的車規級PCIe Gen4 SSD，還將推出配備各種先進技術的企業級車規PCIe Gen4 SSD，以滿足最先進的汽車系統需求。

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