Die Rolle der zentralen Speicherung in zonalen Architekturen

Bei der Einführung dieses neuen Ansatzes werden softwarebasierte virtuelle Maschinen mit hardwarebasierter E/A-Virtualisierung benötigt, um Ressourcen zu verwalten und die Isolierung zu gewährleisten.

Da moderne Fahrzeuge zunehmend auf elektronisch gesteuerte und softwaredefinierte Funktionen angewiesen sind, weicht die typische domänenbasierte elektrische Architektur, die jedem Steuergerät ein eigenes zuordnet, einem zonalen Ansatz. Der Domänenansatz, bei dem Funktionen nach Domänen wie Antriebsstrang, Fahrwerk und Infotainment gruppiert werden, hat zu einem rasanten Anstieg der Anzahl der Steuergeräte an Bord des Fahrzeugs sowie zu einer höheren Komplexität der Verkabelung geführt. Der zonale Ansatz, bei dem die Steuergeräte entsprechend ihrer Position im Fahrzeug klassifiziert werden, enthält ein zentrales Kommunikations-Gateway und ein Rechenmodul, das so dimensioniert ist, dass es die Arbeitslasten mehrerer Steuergeräte im Fahrzeug bewältigen kann. Dies bietet die Möglichkeit, die Anzahl der Steuergeräte zu reduzieren und die Verkabelung zu vereinfachen, was Platzeinsparungen und ein geringeres Fahrzeuggewicht ermöglicht.

Da Fahrzeuge mit der Einführung fortschrittlicher Funktionen und Konnektivität immer komplexer werden, können zonenbasierte Architekturen durch Hinzufügen oder Ändern von Zonen einfacher skaliert werden. Weitere Vorteile sind die Möglichkeit, die Systemintegration zu vereinfachen, indem verwandte Funktionen und Komponenten gruppiert werden, was die Komplexität während der Entwicklung verringert, sowie die Chance, die Fehlerisolierung und die Sicherheit zu verbessern, indem Funktionen in Zonen unterteilt werden.

Bei der Umstellung auf die zonenbasierte Architektur, die Einsparungen und Verbesserungen bringen soll, ist es wichtig, einige Attribute beizubehalten, die in den vorangegangenen Ansätzen wie der bereichsbasierten Architektur vorhanden waren. Einige kritische Funktionen, wie sicherheitskritische Systeme (z. B. ABS, Airbags), profitieren davon, dass sie innerhalb ihrer Domäne isoliert sind, und können durch die Verringerung des Risikos der Beeinflussung durch andere, nicht kritische Funktionen mehr Sicherheit bieten.

Es ist auch erwähnenswert, dass domänenbasierte Architekturen spezialisierte Entwicklungsteams für jede Domäne (z. B. Antriebsstrang, Infotainment) ermöglichen. Diese Teams können sich auf die Optimierung ihrer spezifischen Funktionen konzentrieren, was zu einer potenziell höheren Leistung und Effizienz in ihrem jeweiligen Bereich führt.

Es wird erwartet, dass die Einführung einer zonalen Architektur den Trend zu softwaredefinierten Fahrzeugen beschleunigen wird, da zonale Gateways und der zentrale Compute-Cluster leicht mit Software aktualisiert werden können, um die Funktionalität zu verbessern oder neue Funktionen hinzuzufügen. Darüber hinaus erleichtert das zonale Gateway die Integration von leistungsfähigem Edge Computing, um sicherzustellen, dass das Fahrzeug kritische Ereignisse, die eine schnelle Reaktion erfordern, verarbeiten kann.

In einer zonenbasierten Architektur können virtuelle Maschinen (VMs) eine entscheidende Rolle spielen, da sie Isolierung, Ressourcensteuerung, Flexibilität und Sicherheit bieten. Sie sind ein wertvolles Werkzeug für die Entwicklung und Verwaltung komplexer Systeme mit mehreren Funktionszonen.

Die Isolierung wird erreicht, indem jede Funktionszone auf einer separaten VM ausgeführt wird. Auf diese Weise ist es weniger wahrscheinlich, dass eine Zone, in der ein Fehler oder eine Sicherheitslücke auftritt, Auswirkungen auf andere Zonen hat, was die Zuverlässigkeit und Sicherheit des Systems insgesamt erhöht. Darüber hinaus ermöglichen VMs die genaue Zuweisung von Rechenressourcen wie CPU-Zyklen, RAM und Speicherplatz für jede Zone. Dadurch erhalten kritische Zonen die erforderlichen Ressourcen, während Streitigkeiten, die zu Leistungsproblemen führen können, vermieden werden.

Außerdem ermöglicht die Verwendung von VMs die Trennung zwischen Software-Stacks für verschiedene Zonen, so dass jede VM ihr eigenes Betriebssystem und ihre eigenen Software-Abhängigkeiten haben kann. Kompatibilitätsprobleme und Konflikte zwischen den Zonen können so reduziert werden.

Darüber hinaus können Sicherheitsrichtlinien und Zugriffskontrollen so konfiguriert werden, dass eine fein abgestufte Sicherheitsverwaltung innerhalb jeder Zone möglich ist und somit die Sicherheit für sensible Daten und Funktionen erhöht wird.

Während der Entwicklung können Ingenieure an einzelnen Zonen innerhalb separater VMs arbeiten, was isoliertes Testen und Debugging ermöglicht. Dies minimiert das Risiko, dass sich Änderungen in einer Zone auf andere auswirken. Andererseits können VMs leicht dupliziert oder skaliert werden, um sich ändernden Anforderungen innerhalb einer bestimmten Zone anzupassen.

In einer automobilen elektrischen Infrastruktur laufen verschiedene Funktionen und Komponenten auf unterschiedlichen virtuellen Maschinen (VMs), um ihre Software-Stacks zu isolieren. Diese VMs werden für bestimmte Aufgaben verwendet, wie z. B. Antriebsstrangsteuerung, Infotainment oder fortschrittliche Fahrerassistenzsysteme (ADAS). In diesem Fall ist die E/A-Virtualisierung eine effektive Technik, die es den VMs ermöglicht, effizient und sicher mit physischen E/A-Geräten wie Sensoren, Aktoren und Speicher zu interagieren.

Bei der Implementierung der Virtualisierung bietet die SR-IOV (Single-Root IO Virtualization) mehrere Vorteile. Sie bietet eine verbesserte Systemzuverlässigkeit und Sicherheit, indem sie eine starke Isolierung zwischen virtuellen Funktionen und dem physischen Gerät bietet, um Konflikte zu vermeiden und sicherzustellen, dass jede VM auf die benötigte Hardware zugreifen kann, ohne dass es zu Konflikten kommt. Durch die Bereitstellung eines standardisierten Rahmens für die Konfiguration und Überwachung von virtualisierten E/A-Geräten kann SR-IOV außerdem die Verwaltung von E/A-Ressourcen vereinfachen.

Der Hauptvorteil von SR-IOV ist, wie in Abbildung 2 dargestellt, dass die Daten die Hypervisor-Ebene umgehen und eine direkte Datenübertragung zwischen den virtuellen Maschinen (VMs) und dem NVMe-SSD mit PCIe-Anschluss ermöglichen. Dieser direkte Pfad reduziert die Latenz erheblich, da die Datenzuweisung zwischen PCIe und Host entfällt, und verringert zudem die Rechenlast auf der CPU, die den Hypervisor hostet.

Darüber hinaus können sich mehrere VMs oder Partitionen ein einziges physisches E/A-Gerät teilen und so eine effiziente Ressourcennutzung sicherstellen, die die Anzahl der benötigten dedizierten Hardwarekomponenten reduziert. Dies kann besonders in platzbeschränkten Automobilumgebungen von Vorteil sein.

In Anwendungen, die eine Echtzeitverarbeitung von Daten aus Sensoren und Aktoren erfordern, können VMs mit Hilfe der E/A-Virtualisierung direkt und effizient auf Hardware-Schnittstellen zugreifen und so Latenzzeiten und Overhead reduzieren. Da sich immer mehr Fahrzeuge auf fortschrittliche Fahrerassistenzsysteme (ADAS) und autonomes Fahren verlassen, um die Sicherheit zu verbessern, ist Virtualisierung ein wirksames Mittel, um zeitnahe Reaktionen auf kritische Ereignisse zu gewährleisten.

Die E/A-Virtualisierung trägt auch zur Fehlerisolierung und Wiederherstellung bei. Wenn eine VM ausfällt, kann der Befehl zum Zurücksetzen auf Funktionsebene (FLR) die VM zurücksetzen und wieder mit dem SSD verbinden, ohne andere VMs und virtuelle Funktionen zu beeinträchtigen. Dies erhöht die Systemzuverlässigkeit von Automobilsystemen und ist für sicherheitskritische Anwendungen äußerst wichtig.

Schließlich kann die Verwendung von VMs mit E/A-Virtualisierung die Sicherheit erhöhen und die Skalierbarkeit verbessern. Jede VM kann mit spezifischen Sicherheitsmaßnahmen konfiguriert werden, einschließlich Zugriffskontrollen und Richtlinien, die auf ihre Funktion zugeschnitten sind und den nicht autorisierten Zugriff auf E/A-Ressourcen verhindern. Die Skalierbarkeit wird dadurch gewährleistet, dass zusätzliche VMs oder Partitionen ohne größere Änderungen an der zugrunde liegenden Hardware hinzugefügt werden können.

Da sich die Industrie auf zonale Automobilarchitekturen zubewegt und Effizienzsteigerungen und Einsparungen bei der Stückliste anstrebt, gewährleistet die Kombination von VMs mit E/A-Virtualisierung effiziente, skalierbare und zuverlässige Systeme. VMs helfen bei der Aufteilung von Funktionen, während die E/A-Virtualisierung es den VMs ermöglicht, mit physischen E/A-Geräten zu interagieren und so Isolierung, Echtzeitleistung und Sicherheit zu gewährleisten.

Zu den Vorteilen von SR-IOV-Architekturen für die sich entwickelnden Anforderungen des Automobilmarktes gehören:

• Effizienz und geringe Latenzzeit

SR-IOV sorgt für nahezu native Reaktionszeiten, was zu hocheffizienten und stabilen Systemen führt. Bei Anwendungen in der Automobilindustrie, bei denen selbst Verzögerungen im Millisekundenbereich eine Rolle spielen, kann dies entscheidend sein. Darüber hinaus ermöglicht die geringere CPU-Auslastung, dass die Daten den Hypervisor umgehen und direkt an die Anwendung weitergeleitet werden. Dadurch stehen mehr CPU-Ressourcen für andere Aufgaben zur Verfügung, was die Effizienz des Systems erhöht.

• Skalierbarkeit

Durch die Unterstützung mehrerer Namensräume ermöglicht SR-IOV eine effiziente gemeinsame Nutzung von E/A-Ressourcen durch mehrere Anwendungen oder virtuelle Maschinen. Dies ist von unschätzbarem Wert für den Einsatz in Fahrzeugen, die den gleichzeitigen Betrieb mehrerer Dienste erfordern, wie z. B. Navigations-, Infotainment- und Fahrerassistenzsysteme.

SR-IOV gewährleistet eine nahtlose Kommunikation, die den Informationsaustausch zwischen verschiedenen virtuellen Funktionen (VF) ermöglicht und so die Kooperationsfähigkeit verschiedener Automobilsysteme stärkt.

• Verlässlichkeit

Die Isolierung ist gewährleistet. Die Schnittstelle für das Zurücksetzen auf Funktionsebene (FLR) kann die einzelnen SR-IOV-Funktionen zurücksetzen. Dadurch wird sichergestellt, dass eine VM bei einem Ausfall zurückgesetzt werden kann und mithilfe von FLR wieder mit dem SSD verbunden werden kann, ohne dass andere VMs und VFs beeinträchtigt werden.

In der Automobilindustrie wird dadurch sichergestellt, dass kritische Systeme von nicht-kritischen Systemen isoliert werden, wodurch das Risiko systemweiter Ausfälle verringert und die Zuverlässigkeit und Sicherheit jeder auf der Hardware laufenden Anwendung verbessert wird.

• Zukunftssicher

Da sich die Automobilsysteme ständig weiterentwickeln, bietet SR-IOV eine robuste Architektur, die auf die nahtlose Integration neuer Technologien zugeschnitten ist. Seine Fähigkeit, virtuelle Funktionen (VFs) zuzuweisen, um virtuelle Maschinen (VMs) direkt zu unterstützen, reduziert die Latenzzeit erheblich. SR-IOV gewährleistet somit niedrige Latenzzeiten und einen hohen Durchsatz, was den kritischen Anforderungen an die Echtzeit-Datenverarbeitung in autonom fahrenden Fahrzeugen entspricht.

• Kosteneffizienz

SR-IOV erleichtert die Ressourcenoptimierung, indem es die CPU-Nutzung reduziert und die effiziente Nutzung von E/A unterstützt. Dies kann die Gesamtbetriebskosten (TCO) für Automobilunternehmen erheblich senken.

Eine geringere CPU-Nutzung bedeutet auch weniger Energieverbrauch, was bei batteriebetriebenen Elektrofahrzeugen ein entscheidender Faktor ist.

• Vereinfachte Verwaltung

SR-IOV erfordert im Vergleich zu herkömmlichen E/A-Virtualisierungsmethoden eine weniger komplexe Konfiguration und Verwaltung und ist daher einfacher zu implementieren und zu warten.

Von Leistungssteigerungen und geringerem CPU-Bedarf bis hin zu besserer Skalierbarkeit und Zukunftssicherheit - SR-IOV ist ein starkes Argument dafür, dass es die beste Architektur für die nächste Generation von Automobilsystemen ist.

Silicon Motion hat den SM2264XT-AT auf dem Flash Memory Summit vorgestellt und vorgeführt. Der SM2264XT-AT SSD-Controller mit SR-IOV zeigte unübertroffene SSD-Leistung, nahtloses VM-Management, erhöhte Geschwindigkeit und reduzierte CPU-Last.

Bei einer Gegenüberstellung von SR-IOV- und Nicht-SR-IOV-Konfigurationen auf zwei separaten PCs zeigten sich deutliche Vorteile für SR-IOV

Diese Demonstration unterstreicht, dass SR-IOV eine zuverlässigere und robustere Lösung ist, die sofort implementiert werden kann und unmittelbare Vorteile bietet. Von Leistungssteigerungen und geringerer CPU-Nutzung bis hin zu besserer Skalierbarkeit und Zukunftssicherheit - SR-IOV ist ein überzeugendes Argument für die Architektur der Wahl für die nächste Generation von Automobilsystemen.

Die zunehmende Datenübertragung und der wachsende Rechenbedarf in Automobilsystemen führen zu einem tiefgreifenden Wandel in der Fahrzeugarchitektur. Da die Fahrzeuge immer stärker auf elektronische Steuerung und Software angewiesen sind, steigt die Nachfrage nach Steuergeräten und die Herausforderung, die Komplexität und den Umfang der Verkabelung zu bewältigen. Der neue zonale Ansatz kann die Fahrzeugarchitektur vereinfachen, da die Anzahl der Funktionen weiter zunimmt. Da Automobilhersteller und Tier-1-Zulieferer zunehmend SoCs einsetzen, die die PCIe-Schnittstelle unterstützen, stimmen die zukünftigen Systemanforderungen auch eng mit den bestehenden PCIe-NVMe-SSDs überein. Dieser Trend deutet darauf hin, dass PCIe-SSDs in der Automobilindustrie in den nächsten Jahren in größerem Umfang eingesetzt werden.

Als weltweit führender Anbieter von NAND-Flash-Controllern bietet Silicon Motion eine breite Palette von Hochleistungslösungen, die die strengsten Designanforderungen an Qualität, Zuverlässigkeit und Sicherheit erfüllen. Darüber hinaus arbeiten wir eng mit NAND-Flash-Herstellern, Automobilherstellern, Tier-1-Zulieferern und SoC-Lieferanten zusammen, um sicherzustellen, dass die PCIe Gen4-Standards mit SR-IOV-Technologie den zukünftigen Anforderungen des Connected-Vehicle-Ökosystems entsprechen.