Speichertechnologien für zukünftige Automotive-Architekturen

Automotive-Architekturen verändern sich gerade stark, vom verteilten hin zum zentralisierten System. Welchen Einfluss hat diese Entwicklung auf den Automotive-Speicher?

Christoph Mutz: Ja, die Entwicklung hat sich in den letzten Jahren sogar beschleunigt. Anfangs hatte eine Electronic Control Unit (ECU) jeweils eine spezifische Funktion. Später wurden die ECUs miteinander vernetzt, jedoch agierten die Netze noch voneinander unabhängig. Erst mit den Gateways konnte eine koordinierte netzübergreifende Kommunikation erreicht, und somit auch komplexe Aufgaben bewältigt werden. Die eigentliche Änderung war die Verschmelzung von den einzelnen ECUs zu Domain-Kontrollern (Domain Control Unit; kurz: DCU), die viele anspruchsvolle Aufgaben bewältigen können. Angesichts der weiteren technischen Anforderungen, vor allem durch das automatisierte Fahren, wird sich die Architektur noch weiter ändern. Für die Software bedeutet dies, dass es neben den Rechenalgorithmen (z.B. künstliche Intelligenz) auch das Betriebssystem mit seinen Virtualisierungstechniken (z.B. Hypervisor) betrifft.

Diese Evolution der Architektur hat auch Auswirkungen auf Hauptkomponenten wie Prozessoren und Flash. Hierbei sind auch die besonderen Qualitätsanforderungen von Automotive-Anwendungen zu beachten. Ausgeklügelte Algorithmen erhöhen die Qualität der NAND-Flash-Bauteile. Beispiele für Qualität und Zuverlässigkeit sind Error Correction Code (ECC), Adaptive Read Thresholds, Read Refresh oder auch Defect Management.

Auch bezüglich des Datendurchsatzes (Bandbreite, Latenz) hat sich einiges getan. Die anfangs verwendete Schnittstelle embedded Multi Media Card (e.MMC) wurde durch Universal Flash Storage (UFS) ergänzt. UFS bietet durch seine differenzielle Signalübertragung in Kombination mit dem internen Protokoll-Stack „UniPro“ klare Vorteile, insbesondere durch eine größere Toleranz gegenüber äußeren Störeinstrahlungen und einen im Vergleich zu SSDs deutlich geringeren Energieverbrauch. Deshalb wird UFS für Automotive Anwendungen verstärkt eingesetzt. UniPro unterstützt den geringeren Entegieverbrauch durch seine speziellen Power Modes und bietet auch Quality of Service (QoS) durch seine CPort Arbitration mit Data Link Layer Pre-Emption.

Also ist UFS durchaus attraktiv für den Automotive Sektor? Stellen Automobilhersteller darauf um und wenn nicht: Was wären die Pro-Argumente, sie zu überzeugen?

Christoph Mutz: UFS ist die erste Wahl, wenn hoher Datendurchsatz (kürzere Schreib- und Lesezugriffe) in Verbindung mit hohen Speichergrößen benötigt wird. Ursprünglich für die Mobilfunkgeräte entwickelt, bietet UFS eine passende Lösung für Fahrzeuge der nächsten Generationen. Automobile können von der Erfahrung der Mobilfunktechnologie profitieren, die in der Vergangenheit hohen technischen Anforderungen unterlag, wie der Verarbeitung großer Datenmengen. Insgesamt bietet UFS eine gute Mischung aus den Vorteilen des Datendurchsatzes und der Kapazität. Des Weiteren ist UFS ein lebendiger Standard:  Das Standardisierungskonsortium JEDEC treibt die Entwicklung der UFS-Technologie weiter voran: UFS 4.0 wird 2022 erwartet, weitere Versionen werden folgen.

Wieviel Speicher braucht das Auto und welche Anwendungen sind dabei am hungrigsten?

Christoph Mutz: Die Navigation mit den speicherintensiven Kartendaten war in den letzten Jahren die Hauptanwendung , die einen großen Bedarf an Flash-Speicher hervorrief. Zurzeit ist die Navigation bzw. das Infotainment einer der Hauptnutznießer von großen Speicherkapazitäten. Allein diese Anwendungen benötigen in vielen Fällen bereits 256 GByte, und der Bedarf wird bis 2025 auf bis zu ein TByte pro Auto anwachsen. UFS bietet mit seiner schnelleren Schnittstelle einen deutlichen zügigeren Transport großer Datenmengen, was das Benutzerlebnis deutlich verbessert. In Zukunft werden noch höhere Auflösungen z.B. für automatisiertes Fahren und 3D-Kartenmaterial benötigt.

Welche Speicherparameter sind denn gerade im Auto am wichtigsten bzw. besonders kritisch? Was belastet den Speicher am meisten und wie lassen sich Ausfälle verhindern? Welche Strukturen sind vielleicht für Automotive besser geeignet als für den Consumer-Markt und warum?

Christoph Mutz: Die wichtigsten Eigenschaften von NAND-Flash-Speichern im Auto sind Zuverlässigkeit (Reliability), Schreibbeständigkeit (Write Endurance) und Datenerhaltung (Data Retention), also die Langlebigkeit des Speichers.

Letztere kann durch eine Vielzahl von Faktoren stark beeinflusst werden. So wirkt sich beispielsweise die Art, wie Daten von der Anwendung in den Flash geschrieben werden, stark auf die Lebensdauer aus. Denn kleine Datenpakete, die an beliebigen Adressen abgelegt werden, belasten den Flash stärker als große Informationsmengen, die auf einmal gesichert werden. Auch muss zwischen lese- und schreibintensiven Applikationen unterschieden werden.

Eine weitere Ursache für eine kürzere Lebenszeit ist das Verhältnis der tatsächlich geschriebenen Daten zu den vom Prozessor tatsächlich gesendeten Daten, der sogenannte Write Amplification Factor – kurz: WAF.  Idealerweise sollte der WAF gleich eins sein. In diesem Fall wird genau die Anzahl an Daten auf den Flash-Speicher geschrieben, wie vom Prozessor gesendet. Bei einem WAF größer als eins übertrifft die Datenmenge, die auf den Flash-Speicher geschrieben wird, die tatsächlich zu speichernde Anzahl. Dann müssen mehr Speicherzellen gelöscht werden, als eigentlich an Daten geschrieben werden soll. Dieser Vorgang ist belastend für den Flash.

Die Automotiv-iNAND-UFS-Speicher von Western Digital haben mit SmartSLC der 5. Generation eine interne Architektur, die es ermöglicht, lese- und schreibintensive Applikationen auf getrennte Partitionen laufenzulassen. Dieses wird durch das Smart Partitioning ermöglicht. Partitionen, die als SLC-Struktur (Single Level Cell) konfiguriert sind, eignen sich besonders für schreibintensive Programme. Der Flash-Speicher verringert sich hierbei auf ein Drittel der Größe der TLC-Struktur (Triple Level Cell), aber die Anzahl der Schreib/Löschzyklen ist um ein Vielfaches höher – d.h. um mehr als das 30-fache.  Leseintensive Programme können dann die Partition mit der TLC-Struktur nutzen, die die volle Speicherkapazität zur Verfügung stellt. Somit ist es möglich, mit unserem UFS-Speicher die Lebensdauer deutlich zu verlängern.

Welche Sicherheitsfeatures gibt es speziell für Speicher im Automotive-Bereich?

Christoph Mutz: Um die Sicherheit zu gewährleisten, werden bei unseren Automotive-Produkten besondere Maßnahmen entlang des gesamten Produktionsverlaufs ergriffen, z.B. beim Parametertrimming des NAND-Die, Controller-Design bzw. bei der Produktion, Firmware-Entwicklung, Integration in das Gehäuse und beim Testen – nur um die wichtigsten Stationen kurz zu erwähnen.  All dies dient dazu, einen DPPM-Wert (Defective Parts per Million) von Null zu erreichen. Darüber hinaus bietet Western Digital den Advanced Device Report an, der dem Prozessor einen tiefen Einblick in den aktuellen Zustand des Speicherbausteins ermöglicht. Hierzu ist lediglich eine einfache Read-Buffer-Operation durchzuführen, um weitaus mehr Informationen zu erhalten, als der JEDEC-Standard vorgibt. Diese detaillierten Diagnosedaten ermöglichen eine genauere Vorhersage der Lebensdauer.

Beim Thema Sicherheit im Auto sollte ein besonderes Augenmerk auch auf die Nutzung durch die Anwendersoftware gelegt werden. Mit einer detaillierten Aufzeichnung der Schreib- bzw. Leseereignisse ist es möglich, das Schreib-Lese-Verhalten der Applikation zu analysieren und somit die Beanspruchung zu bestimmen. Am besten eignen sich hierzu das Aufnehmen von UFS-Ereignissen, basierend auf den der sogenannten UFS Protocol Information Units (UPIU). Wenn die Anwendungen gestartet werden, kann – je nach Testdauer – eine beträchtliche Menge an Ereignisdaten erzeugt werden. Nach sorgfältiger Analyse dieser Daten können Einblicke über das Schreib- /Leseverhalten des Systems gewonnen werden und es lässt sich beispielsweise erkenne, ob Schreibprozesse erwünscht und/oder notwendig sind. In vielen Fällen ist es dann möglich, die Lebenszeit deutlich zu verlängern.

Wir lesen immer wieder davon, wie wichtig die Strahlungshärtung für die Elektronik im Auto ist. Welche Strategien bzw. Funktionen gibt es bei Speichern von Western Digital in dieser Hinsicht?

Christoph Mutz: Diese Einwirkungen sind uns bewusst, insbesondere die durch Alpha- und kosmischen Strahlen. Die Gefahr, die von der Einwirkung dieser Strahlen ausgeht, wie z.B. transiente Bitflips, ist nicht zu unterschätzen. Um dieser zu begegnen, nutzen wir unsere jahrelange Erfahrung mit der Implementierung der Low Density Parity Control-Verfahrens (LDPC) – ein spezieller Algorithmus für Fehlerkorrekturcodes (Error Correction Codes ECC). Außerdem haben wir auch ein robustes, mehrschichtiges Gehäuse entwickelt, das Strahlen reduziert und die Wahrscheinlichkeit von Bitflips weiter verringert.

Wo liegt mit Blick auf Herstellungstechnologien der Speicher heute im Automobil? Wie wichtig sind/werden 3D-Technologien?
Die 3D-NAND-Technologie hat sich in der Automobilelektronik bei höheren Flash-Kapazitäten weitgehend etabliert. Mit dieser Technologie kann der Bedarf der Automotive-Anwendungen nach großen Flashspeichern auch in Zukunft erfüllt werden. Denn größere Kapazitäten ermöglichen es, dass weniger Flash-Module notwendig sind. Diese können dann an zentralen Stellen verbaut werden. Die Hardwarekosten sind somit geringer, als wenn die Module im Auto verteilt eingebaut sind. Von uns wurde im Herbst 2018 als Erstes der 3D-NAND-Flash in der TLC-Technologie und mit UFS v2.1 in den Automobilmarkt eingeführt.

Welche Benefits werden wir aus dem Joint Venture mit Kioxia sehen?

Christoph Mutz: Das Joint Venture von Western Digital mit Kioxia ermöglicht beiden Unternehmen die Fixkosten effizient zu tragen, die für die Herstellung der derzeitigen Speicherbausteine und für dir Entwicklung zukünftiger wettbewerbsfähiger Technologie anfallen.

Wie wichtig wird die Kooperation/Kommunikation für den Automobilhersteller direkt mit dem Speicherhersteller? Was würden Sie sich noch mehr von den OEMs wünschen?

Die bereits in den letzten Jahren begonnenen Veränderungen der elektrisch-elektronischen (E/E)-Architektur im Auto hat sich beschleunigt. Wie erwähnt, sind die ehemals zahlreichen Electronic-Control-Units (ECU) in vielen Teilen vernetzt; und die Konzentration zu immer größeren Domain-Control-Units (DCUs) ist voll im Gange. Zukünftige Architekturen werden sicher weitere Neuerungen bringen.

Dies und auch die zunehmende stärker werdende Rolle der Software führt dazu, dass große Automobilfirmen verstärkt nach geeignete Prozessoren und Flash-Bausteine suchen. Das führt automatisch zu einer engeren Kommunikation mit den jeweiligen Prozessor- als Flash-Herstellern. Die Automobilhersteller haben so die Möglichkeit, mit den jeweiligen Herstellern über die optimale Nutzung der Prozessoren und der Flash-Speicher zu beraten, und können somit die Ausfallwahrscheinlichkeiten minimieren und die Lebensdauer erhöhen.