Почему хранилище на флеше — это новый лучший друг подключенных автомобилей

Автор: старший менеджер по маркетингу продукции направления «Автомобилестроение» Western Digital Кристоф Муц

Автомобильная промышленность переживает глубинные изменения — подключенные автомобили перестают быть чем-то из ряда вон выходящим. С внедрением каждой новой технологии, инновационного решения и умного компонента автомобили постепенно превращаются в «сервера на колесах». От все более централизованной архитектуры до многофункциональных информационно-развлекательных систем — огромные объемы данных, которые создают автомобили уже сейчас, ставят новые вызовы перед производителями бортовых устройств хранения данных.

Будущие успехи подключенного и автономного транспорта действительно во многом зависят от развития городской инфраструктуры и периферийных ЦОД, но и потребность в бортовых хранилищах данных еще никогда не была такой острой. Решения для хранения данных на борту существуют и сейчас, например, на базе интегрированной флеш-карты памяти (eMMC), однако, из-за необходимости быстрее обмениваться данными с системами автомобиля возникает потребность в более быстром интерфейсе. Помогая справляться с резким увеличением быстрых данных, интерфейс универсального флеш-накопителя (UFS) становится подходящим решением для следующего поколения автомобилей. Но в чем состоят преимущества флеш-хранилища, и как эта технология помогает решить стоящие перед отраслью задачи?

Изменение подхода к архитектурам автомобильных систем и значение данных

Автомобильные архитектуры переживают весьма значительные изменения — на смену отдельным блокам управления приходит единая централизованная бортовая система. До этого для каждого центрального блока управления (ECU) была определена своя собственная функция в зависимости от того, для чего он использовался. Со временем между центральными блоками управления начинали образовываться связи, но сети по-прежнему работали независимо друг от друга. Теперь же благодаря межсетевым интерфейсам появилась возможность обеспечить между сетями координированную функциональную взаимосвязь, что, в свою очередь, позволяет обрабатывать все более сложные задачи, связанные с интенсивной обработкой данных. Более того, за счет объединения центральных блоков управления в контроллеры доменов (domain controllers или DCU), поддерживающие выполнение нескольких ресурсоемких задач одновременно, архитектура может сделать еще один шаг вперед. Для программного обеспечения это означает, что в дополнение к вычислительным алгоритмам, похожим на те, которые используются в искусственном интеллекте (ИИ), изменения произойдут и в операционных системах, в частности, в связи с использованием таких средств виртуализации, как гипервизоры.

Таким образом, наблюдаемая сейчас эволюция архитектуры влияет на важные составные части процессоров и флеш-хранилищ. Говоря о флеше, потребность в непрерывном увеличении объемов хранилища можно закрыть за счет технологии флеш-памяти NAND. Не стоит упускать из виду и предъявляемые самой отраслью особые требования: использование в автомобилестроении передовых алгоритмов повысит спрос на флеш-память NAND, поскольку это решение объединяет в себе и очень большие объемы хранилища, и действительно низкую стоимость.

Универсальный флеш-накопитель как решение для бортового хранилища данных

Универсальный флеш-накопитель (UFS) лучше всего подходит для сценариев использования, характеризующихся высокой скоростью передачи данных, более короткими последовательностями записи и чтения и большим объемом хранилища. Изначально созданный для мобильных устройств, UFS-накопитель даст автомобилям следующего поколения те преимущества, которые были в нем заложены на этапе его разработки и оптимизации под нужды мобильной радиосвязи — отрасли со строгими техническими требованиями и обработкой больших объемов данных. Впрочем, помимо преимуществ, связанных с высокой скоростью передачи данных и большим объемом хранилища, UFS открывает новые возможности для стандартной отраслевой платформы. Продолжая поддерживать развитие технологии универсальных флеш-накопителей, Комитет по стандартизации JEDEC планирует выпустить стандарт UFS 4.0 в 2011 г., позднее появятся и следующие версии.

Уже понятно, что флеш-технология предоставляет явные преимущества для автомобилестроения, но стоит ответить еще на один вопрос — какой объем хранилища нужен для подключенного автомобиля и какие приложения требуют больше всего места? За последние годы пальму первенства в этой гонке удерживали приложения для навигации, поскольку для хранения карт и данных к картам необходим действительно большой объем свободного пространства в хранилище. На данный момент, навигация и прочие программы помощи водителю, входящие в «информационно-развлекательную систему», сильнее всего ощущают преимущества от установленного на борту автомобиля большого накопителя (в некоторых моделях его объем достигает 256 Гбайт). А поскольку для автоматизированного вождения и 3D-карт, а также для другой информации, отображаемой для водителя на приборной панели автомобиля, необходимо более высокое разрешение, тенденция увеличения объема бортового хранилища продолжится — ожидается, что уже в 2025 г. на машины будут устанавливаться накопители объемом до 1 Тбайта. Благодаря более быстрому интерфейсу UFS поддерживает гораздо более высокие скорости передачи больших объемов данных, способствуя тем самым значительному улучшению пользовательского опыта.

Технология флеш-хранилища и ее преимущества

Из всех характеристик флеш-памяти NAND для автомобилестроения наиболее важными являются ее безотказность, надежность записи и сохранность данных. При этом сохранность данных зависит от целого ряда факторов, в числе которых выбранный метод записи на флеш-накопитель данных, создаваемых приложением, поскольку то, как пишутся данные, весьма значительно влияет на срок службы устройства. Дело в том, что маленькие пакеты данных, хранящиеся на произвольных адресах, оказывают на флеш более серьезную нагрузку по сравнению с большими объемами информации, которая сохраняется за один раз.

Инновационные решения, реализованные в UFS-хранилище, защищают флеш от интенсивных операций. На современном этапе своего развития флеш-технология научилась поддерживать работу приложений с большим числом операций чтения и записи в разных разделах благодаря «умному выделению разделов» (smart partitioning). Разделы, настроенные в виде структуры одноуровневых ячеек (Single Level Cell или SLC), особенно хорошо подходят для программ с большим числом операций чтения. В данном случае блок сможет записать в три раза меньше битов, чем при структуре ячеек с тремя уровнями (Triple Level Cell, или TLC), но общее количество циклов перезаписи будет в несколько раз больше. Программы с большим числом операций записи могут использовать сегмент с TLC-структурой, задействуя весь объем хранилища и серьезно увеличивая срок службы UFS-памяти.

Поскольку подключенный автомобиль просто не может работать без данных, надежность бортовой СХД играет ключевую роль в обеспечении безопасности всего транспортного средства. Связанные с UFS инновации помогут с высокой степенью детализации регистрировать операций записи или чтения, позволяя анализировать интенсивность чтения и записи для конкретного приложения и определять наличие риска преждевременно износа флеш-накопителя из-за несбалансированных рабочих нагрузок. В основе такого подхода — запись «событий» или отдельных передаваемых пакетов данных с помощью «информационных блоков UFS-протокола» (UFS Protocol Information или UPIU). Посредством тщательной обработки этих данных формируется аналитическая информация, касающаяся интенсивности записи/чтения в системе, которая затем собирается и интерпретируется для защиты производительности флеша и значительного повышения уровня надежности и безопасности данных.

Стимул для сотрудничества между изготовителями оборудования и производителями решений для хранения данных

Изначально технология 3D NAND завоевала свое место в автомобильной электронике благодаря тому, что она стала решением для увеличения объема бортового хранилища данных, создав необходимые условия для масштабирования технологии и заложив фундамент для решений, которые в будущем помогут удовлетворить потребности автомобильных приложений во все большем объеме свободного места. Чем больше индивидуальный объем каждого флеш-модуля, тем меньше их нужно, а это, в свою очередь, означает, что они могут устанавливаться централизованно. По сравнению с компоновкой, при которой модули располагаются далеко друг от друга, такой подход помогает снижать затраты на аппаратное оборудование.

Наметившаяся в последние годы динамика по изменению электронно-электрической (E/E) архитектуры автомобилей будет только набирать обороты. Как уже упоминалось, с помощью сетевого соединения удалось объединить когда-то многочисленные центральные блоки управления (ECU) с многими деталями автомобиля, кроме того, полным ходом идет объединение ECU в контроллеры доменов (DCU). Появление новых вариантов архитектуры в будущем будет, вне всякого сомнения, связан с новыми инновационными решениями, особая роль в которых будет отведена программному обеспечению, а это значит, что крупным представителям автомобильной промышленности будут все чаще требоваться адаптированные под их задачи процессоры и флеш-компоненты. Именно поэтому совсем скоро жизненно важным фактором для будущего успеха подключенных автомобилей станет тесное сотрудничество между изготовителями оборудования и производителями флеш-накопителей, в рамках которого они смогут найти оптимальное применение для процессоров и памяти с целью минимизации рисков выхода из строя и продления срок службы.