未来汽车的重要存储技术 - PCIe SSD

作者 Rick Wang | 2023 年 9 月 13 日 | 全部, 汽车, 精选

这是关于汽车数据存储方案系列文章中五篇的第三篇。在本文中，我们将探讨PCIe SSD在现今汽车中所扮演的角色以及我们为何会认为它将越来越重要。

在先前的文章中，我们讨论了eMMC 与 UFS这种嵌入式存储方案在汽车系统中扮演的脚色，以及UFS是如何逐渐取代了较低速的eMMC。然而，我们都知道PCIe技术被广泛地用在个人计算机与服务器的系统中，也包括CPU、SoC与GPU、Wi-Fi、蓝芽与SSD等终端装置的讯号传输上。未来，究竟庞大的汽车系统中是否会有PCIe SSD的一席之地呢? 答案是肯定的！这篇文章将会针对PCIe在汽车中的发展做出详细的解释。

PCIe SSD首次进入汽车系统

在 2021年底，电动车大厂Tesla逐步将其基于Intel Atom A3950系列的处理器更换成客制化的AMD Ryzen系列处理器，并部署到全面的车型中来支持其更强大的座舱系统，提供了影片串流如YouTube, Netflix、提升浏览器的流畅度、更灵敏快速的触控屏幕体验、与游玩Tesla Arcade及Steam游戏。

这样前所未见的座舱体验除了仰赖算力强大的处理器以外，也需要能够快速写入与读取并具有足够大容量的PCIe SSD才行。于是，Tesla采用了256GB的PCIe3.0 SSD，这也是车用市场上第一个大量使用PCIe SSD做为车用存储方案的座舱系统。关于未来车用PCIe SSD的需求，提升使用者体验是一个关键因素，SoC支持PCIe作为存储接口也是个中原因。而事实上，未来的车用存储技术，还有其他关键因素在酝酿着，比如说 - 更新颖的汽车电子电气架构。

图1：现代汽车系统拥有丰富的应用来增强用户体验

汽车架构转换，将开启PCIe SSD需求

我们已经在先前的文章中讨论过了”ECU Consolidation”(电子控制单元集中化)的议题，简单来说，随着数字化以及电子化，一台车所需要的ECU数量不断上升，时至今日，分布式的电子电气架构已经因为设计成本、供应链管理、空间与重量、测试验证及制造资源的考虑，从而转向了所谓的中心化域控架构 (Centralized Domain Architecture)，因应运算特征的不同，不同域控制器(Domain Controller)负责不同域(Domain)的运算任务，包括ADAS、动力总成、信息娱乐系统、车身控制等域功能，这些域控制器(Domain Controller)把大量的ECU运算与数据存储，结合在一起，这样的架构类似我们在系列文章第一篇中所列举的。然而，随着新能源技术与智能驾驶技术的演进，这仍然不够，汽车电子电气架构仍面临着各式各样的挑战。

举例来说，高阶的智能驾驶系统涉及10-20个终端传感器，各位能想象这些安置在汽车边缘的终端传感器全部都透过各自独立的线束连接到一个ADAS域控制器吗? 显而易见的，大量线束可能需要横跨整个车身，而这将会提升线束布局的复杂性，而域控制器所要支持的I/O数量也会大幅提升，因此，中心化区域架构(Centralized Zonal Architecture)的设计在近几年逐渐成为一个重要的发展方向，与之前不同的地方就在于引进了区域控制器(Zonal Controller)与中央运算单元(Central Computer)的组合与分工，首先区域控制器(Zonal Controller)将会处理边缘端的任务，列举如下：

- - 供应与分配边缘端的电力
  - 处理各区域ECU之间的数据沟通
  - 预先运算处理、集成数据并传输至中央运算单元

至于中央运算单元(Central Computer)则将负责更高级别的运算与功能，好似一台服务器，具备可靠以及高效的处理能力。而该使用场景对于存储的需求，除了更高速的传输速度与更大的存储空间外，也需具备企业级(Enterprise-class)的特殊功能，这指向了长期应用于服务器系统的PCIe SSD。

图2：汽车E/E架构的演进将带来新的存储需求

企业级PCIe SSD遇上快速演化的车用市场

在企业级PCIe SSD存储方案中，有许多与嵌入式存储方案eMMC/UFS以及消费级SSD不同之处，以下是几个企业级SSD常见的指标与技术，与他们在车载系统中的需求。

QoS(Quality of Service) 与一致性(Consistency)

这是衡量SSD的延迟与传输速度是否稳定的指针，一般的企业级SSD更在乎的是可预测性效能(Predictable Performance)，而非Boost Performance。在汽车中传输大量关键数据的过程中，出乎预料的延迟是不被允许的。

SR-IOV(Single Root I/O Virtualization)

这项功能允许虚拟机不须经由虚拟机管理程序(Hypervisor)便可直接透过PCIe SSD中的物理功能(Physical Function) / 虚拟功能(Virtual Functions)，存取其对应的命名空间(Namespace)，这项功能确保了I/O的独立以及个别的安全性设置。一个先进的汽车座舱系统，可能有着2-5个不同的操作系统，举例来说，Android、 Linux、 RTOS、 AUTOSAR等，这些操作系统负责处理着座舱中的多种应用包括娱乐系统、驾驶监控系统(Driver Monitoring System)、抬头显示(Head-up Display)、或是更多智能驾驶相关的功能。启用SR-IOV，省去虚拟机管理程序可以降低SoC的工作负载，不同安全等级的数据可以被独立与保护，需要被满足的优先级也可以得到保证。

Dual-port / Multi-port

在企业/数据中心的环境中，双阜(Dual-port)已经是企业级PCIe SSD重要且常见的设计，不仅能够提供数据的冗余保护，也能够让多个Host同时获取单一SSD中的数据，形成数据的共享。在中心运算的汽车系统中，目前市场上还没有一个足够强大的SoC能够处理所有的任务，所谓的中央运算单元还多是由不同的SoC所共构而成，具有Dual-port / Multi-port功能的PCIe SSD能够作为一个共享数据池，省去PCIe Switch并透过冗于链路提升可靠度。

除了上述三点之外，其他不同于传统嵌入式存储装置与消费级SSD的重要指标与技术也包括Endurance Group、Power Loss Protection(PLP)、Time to Ready(TTR)、Security等等。上述这些功能与特性非常仰赖SSD主控芯片设计与韧体的开发技术。事实上JEDEC(Joint Electron Device Engineering Council)在2022年12月发布了 JESD312 (Automotive Solid State Drive (SSD) Device Standard V1.0)，内容定义了车用SSD的标准与规范，由此可见，PCIe SSD在汽车市场的应用，已经受到业界的重视。当然，作为存储技术的领导厂商，群联电子对于车用PCIe SSD的技术布局，比这份规范发布的时间还要更早了两年。

群联电子如何领先车用存储技术的演化

在汽车应用方面，近年来汽车系统内的数据传输和计算需求不断增长。除了汽车制造商和一级供货商逐渐采用支持PCIe接口的SoC之外，我们预期，未来汽车系统需求也与现有的企业级PCIe SSD解决方案密切相关。相信在汽车电子电气系统中，PCIe SSD的重要性将逐渐增加。

正如前面提到的，群联电子自2020年起已开始大力投资于汽车PCIe Gen4 SSD解决方案。群联还与NAND Flash制造商、汽车制造商、一级供货商和SoC供货商进行了深入的技术与商务合作，以确保群联电子的产品满足快速变化的汽车市场需求。在未来一年里，我们不仅将提供传统的车规级PCIe Gen4 SSD，还将推出配备各种先进技术的企业级车规PCIe Gen4 SSD，以满足最先进的汽车系统需求。

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