Autonome Fahrzeuge lösen Boom bei Speicherbausteinen aus

Bereits 2024 soll das Marktsegment der Speicherbausteine für Automobile 11 Milliarden US-Dollar erreichen. In der Vergangenheit hatten Automobilprozessoren bescheidene Speicheranforderungen, die von Static Random Access Memory (SRAM) und Non-Volatile Memory (NVM) wie NOR-Flash erfüllbar waren.

Heute gibt es aufgrund von fortschrittlichen Fahrerassistenzsystemen (ADAS), Navigations- und Infotainmentsystemen sowie Instrumentenclustern zur Anzeige von Informationen auf HD-Farbdisplays und zum Streamen von Musik/Videos eine immer größere Nachfrage nach schnellem Arbeitsspeicher (DRAM) und internem Speicher (NAND). Gleichzeitig erhöht die Nachfrage nach schnellem Hochfahren der Infotainmentsysteme und Steuergeräte (Engine Control Units, ECU) den Bedarf an hochzuverlässigem NOR-Flash und löst F&E-Investitionen in neuen NVM-Technologien, wie beispielsweise bei magnetoresistivem Random Access Memory (MRAM), aus.

Massive Datenmengen

Bild 1: Die Autonomie-Level reichen von L1, also der einfachen Fahrerassistenz, bis L5, bei dem der Fahrer nicht mehr eingreift. Yole Développement

Bild 2: Bis 2024 steigt der NAND-Bedarf im Auto deutlich an, schätzungsweise auf etwa 300 GByte pro Fahrzeug. Yole Développement

Bild 3: Auch bei DRAM steigt die Nachfrage deutlich, von 3,2 GByte aktuell auf schätzungsweise 20 GByte pro Fahrzeug in 2024. Yole Dévelopement

Fahrzeughersteller konkurrieren verbissen miteinander, um Fahrzeuge zu produzieren, die so autonom wie möglich sind (Bild 1), wobei die Autonomie von der einfachen Fahrerassistenz (L1) und der teilweisen Autonomie (L2, ohne Betätigung der Pedale) bis hin zu vollkommen autonomen Fahrzeugen (L5, ohne Eingreifen des Fahrers) reicht. Das autonome Fahren beruht auf zahlreichen Technologien, zum Beispiel Radar, Sonar, Lidar, GPS, Kameras, Nachtsichtgeräten und anderen Sensoren mit hoher Bandbreite.

All diese Sensoren erzeugen eine beeindruckende Datenmenge, die sehr rasch zu speichern und zu verarbeiten ist und auf die ein schneller Zugriff sichergestellt sein muss. Im Zuge der Entwicklung von L2 auf L5 wird sich die Datengenerierungsrate nach Schätzung von Yole von 1 GByte pro Sekunde auf 10 GByte pro Sekunde verzehnfachen. Jedes autonome Fahrzeug könnte beispielsweise durchschnittlich bis zu 4000 GByte pro Tag generieren, was in etwa jenen Daten entspricht, die 3000 Menschen generieren. Da es nicht möglich ist, alle neuen Daten an das Netzwerk zu übermitteln (auch aufgrund der Anforderungen an Geschwindigkeit und Sicherheit), ist ein massiver interner Speicher erforderlich.

Autonome Fahrzeuge verändern die Speicheranforderungen in Fahrzeugen radikal. Bis 2024 wird ein deutlicher Anstieg der durchschnittlichen NAND-Inhalte in Fahrzeugen erwartet, die 300 GByte pro Fahrzeug (Bild 2) bei einem CAGR_18-24 von etwa 79 Prozent überschreiten könnten.  Gleichzeitig steigen perspektivisch die DRAM-Inhalte pro Fahrzeug mit einem CAGR_18-24 von etwa 42 Prozent von 3,2 GByte pro Fahrzeug heute auf fast 20 GByte pro Fahrzeug an (Bild 3).

Während traditionelle Fahrzeughersteller autonome Funktionen nur langsam in Serienproduktionen integrieren, haben einige Newcomer ein neues Geschäftsmodell vorgeschlagen, das die technologischen Entwicklungen beschleunigen soll. Sie konzentrieren sich auf Roboterfahrzeuge für Transportation-as-a-Service; dieser Schritt hat zu neuen Investitionen in Halbleiterspeichertechnologie und High Performance Computing geführt.

Anstieg der SLC-NAND-Nachfrage

Früher bestand die Nachfrage nach NAND im Automobilbereich vor allem aus Low-Density-SLC-NAND-Lösungen für die Anwendung in Codespeichern und Instrumentenclustern, da dies eine günstigere Alternative zu NOR-Flash war. Die Produktion der SLC-NAND-Produkte (1 Bit pro Zelle) geschieht in der Regel mittels proprietärer Prozesse. Im Vergleich zum herkömmlichen MLC- (2 Bits pro Zelle) und TLC (3 Bit pro Zelle)-NAND, die den allgemeinen NAND-Markt dominieren, wird SLC nur in geringen Mengen produziert. Diese Produkte müssen den Qualitäts- und Zuverlässigkeitsstandards der Automobilindustrie, wie beispielsweise JEDEC 47 und ISO 26262, entsprechen. Obwohl sie profitabel sind, war dies für NAND-Anbieter eher ein Nischenmarkt.

In letzter Zeit hat sich SLC-NAND auch als wertvolle Alternative zu High-Density-NOR-Flash (≥ 1 GByte) in jenen Anwendungen erwiesen, für die keine große Anzahl von Program/Erase-Zyklen erforderlich ist und die keine Execute-in-Place-Funktionen (XiP) benötigen. Dabei fürt ein Hostprozessor den Code direkt vom Flash aus und umgeht dabei den externen DRAM. Derzeit ist Micron der Marktführer in diesem Untersegment des Automobilmarkts. Neben Micron sind auch die meisten anderen großen NAND-Anbieter wie Samsung, Toshiba und Western Digital mehr oder weniger intensiv im Automobilbereich tätig. Abgerundet wird die Versorgungsbasis durch einige größere NOR-Anbieter, die auch SLC-NAND herstellen, wie Winbond, Cypress und Macronix.

Durch die Entwicklung der aktuellen displaybasierten Infotainmentsysteme in den frühen 2000ern kamen eMMC- und zuletzt UFS-NAND-Speicherlösungen dazu, die beide MLC- und TLC-NAND nutzen. Während diese Produkte eng mit den in heutigen Tablets und Smartphones enthaltenen High-Volume-eMMC- und UFS-Lösungen verwandt sind, müssen sie noch die strikten Anforderungen des Automobilbereichs, unter anderem in Bezug auf Sicherheit, Temperaturvorgaben und Zuverlässigkeit, annehmen.

Heute reichen die Speicheranforderungen für typische Infotainmentplattformen je nach den Funktionen und der Größe der Navigations- und Sprachdatenbanken von 32 GByte bis 128 GByte, wobei die meisten Systeme eMMC-Lösungen nutzen. High-End-Infotainmentsysteme beginnen in manchen Fällen schon damit, UFS-Speicher und sogar Solid-State-Drives (SSD) zu übernehmen. Während sich Infotainmentsysteme mit immer neuen Funktionen und Fähigkeiten weiterentwickeln, steigen auch die Anforderungen an den internen Speicher. High-End-Infotainmentsysteme besitzen voraussichtlich im Jahr 2024 schon mehr als 500 GByte NAND-Speicher.

ADAS ist NAND-hungrig

Eine weitere Expansion der Grundlagen der NAND-Nachfrage für Automobile stellen ADAS-Funktionen dar, die in den letzten Jahren stark an Bedeutung zugenommen haben und zum am schnellsten wachsenden Untersegment für Speicherbausteine für die Automobilindustrie wurden. Da in aktuellen Fahrzeugen datenintensive ADAS-Funktionen allgegenwärtig sind, erlangen nichtflüchtige Speicherlösungen, die hohe Zuverlässigkeit, hohe Dichte und geringe Latenz vereinen, höchste Bedeutung. Glücklicherweise konnte 3-D-NAND diesen Bedarf decken. Die Massenfertigung von 3-D-NAND begann 2014/15 und ersetzte in der Produktion schon bald die planare NAND-Technologie.  Die 3-D-NAND-Technologie, die 2018 etwa 80 Prozent der NAND-Produktion ausmachte, ermöglicht im Vergleich zur planaren Technologie eine bessere Leistung, eine wesentlich höhere Dichte und deutlich geringere Kosten pro Bit.

Trotz des Wachstums der NAND-Nachfrage im Automobilbereich durch Infotainmentsysteme in den vergangenen 20 Jahren sowie großer Fortschritte bei ADAS-Technologien in der letzten Zeit, ist das Automobilsegment im breiteren NAND-Markt eher klein. Die Umsätze aus NAND-Lösungen im Automobilbereich lagen im Jahr 2018 unter 500 Millionen US-Dollar; dies ist weniger als ein Prozent des Gesamtumsatzes der NAND-Industrie, der bei 59,4 Milliarden US-Dollar lag.

Ein kleiner Ausblick: Da Fahrzeuge der Stufen L3 bis L5 immer mehr Bedeutung erlangen, wird die durchschnittliche Anzahl an Sensoren in Fahrzeugen sowie deren Auflösung deutlich ansteigen, was zu einer großen Menge an Datengeneration führt. Die von den Sensoren generierte und für die Unterstützung der autonomen Funktionen erforderliche Datenmenge ist enorm – laut manchen Schätzungen liegt sie bei bis zu 4 TByte pro Stunde – und zu groß, um sie vollständig an die Cloud zu übermitteln. Obwohl die kommende 5G-Bereitstellung einige der latenz- sowie netzwerkbezogenen Probleme verringern wird, muss die Speicherung vieler Daten nicht nur aufgrund von technologischen Einschränkungen, sondern auch aus Sicherheitsgründen lokal geschehen.

Datenschreiber, auch als „Blackbox“ bezeichnet, sind wahrscheinlich in autonomen Fahrzeugen erforderlich, um Daten der Sensoren und der von den KI-Algorithmen ergriffenen Maßnahmen aufzuzeichnen. Um das Sammeln und Speichern von Daten zu unterstützen, erfolgt die Speicherung wahrscheinlich intern in Form von SSDs, wobei die Dichte bei über 1 TByte liegen wird. Auch dies treibt die Nachfrage nach NAND voran.

Während der NAND-Markt im Automobilbereich heute noch relativ klein bleibt, verspricht das autonome Fahren ein Anwachsen dieses Segments zu einem der wichtigsten Märkte der NAND-Nachfrage in der Zukunft. Das Automobilsegment wird mit einem CAGR_18-24 von etwa 82 Prozent wahrscheinlich das am schnellsten wachsende Segment für die NAND-Nachfrage sein.  Der durchschnittliche NAND-Anteil in Autos, Lkw und Bussen wird aufgrund einer steigenden Nachfrage nach Infotainment, ADAS und autonomem Fahren mit einem CAGR_18-24 von etwa 79 Prozent wachsen und im Jahr 2024 etwa 375 GByte pro Fahrzeug erreichen (ein Faktor von etwa 33 zwischen 2018 und 2024). Damit entwickelt sich der NAND-Markt im Automobilbereich von einer Nische zum Mainstream.

DRAM in Spitzentechnologie

Bild 4: Micron ist derzeit der Branchenführer bei Speichern fürs Auto, gefolgt von Samsung, SK Hynix, Nanya und Winbond. Yole Développement

Im Jahr 2018 war DRAM mit einem Umsatz von 2,1 Milliarden US-Dollar das größte Speichersegment im Automobilbereich, wobei das US-amerikanische Unternehmen Micron, gefolgt von koreanischen (Samsung und SK Hynix) und taiwanesischen (Nanya und Winbond) Unternehmen, der führende Player war (Bild 4). Der DRAM-Anteil in Fahrzeugen wird im Laufe der kommenden Jahre ansteigen.

Während Fahrzeughersteller bereits Speicher für Infotainment, Cluster/Dashboard und Kommunikation verwenden, wird die steigende Nachfrage nach Autonomie den DRAM-Anteil in Fahrzeugen immer mehr antreiben. Durchschnittlich verwenden Fahrzeuge heute 3,2 GByte DRAM; dies wird wahrscheinlich zwischen 2019 und 2024 auf einen CAGR von etwa 42 Prozent ansteigen. Damit enthalten Fahrzeuge voraussichtlich durchschnittlich etwa 18,6 GByte DRAM. Heute basieren diese Systeme auf DDR2, DDR3 und LPDDR2 um die Speicheranforderungen zu decken. Durch das Forcieren der Fortschritte bei Konnektivität, Sicherheit und Autonomie seitens der OEMs und der Anwender kommen nun fortschrittliche Technologien wie LPDDR5, DDR5 und HBM2 ins Auto.

Die Rolle von DRAM in Fahrzeugen hat sich im Lauf der vergangenen 15 Jahre grundlegend verändert. Damals enthielten DRAM-Konfigurationen Low-Density- und oft proprietäre DRAM-Technologien. Da Computer eine immer wichtigere Rolle in Fahrzeugen übernommen haben und Infotainmentsysteme immer anspruchsvoller wurden, hat sich dies geändert.  Ein durchschnittliches Fahrzeug (ohne autonome Funktionen) nutzt heute etwa 1 GByte DRAM, das ist etwa 3,5 Mal mehr als vor zehn Jahren. Die dazu genutzte Technologie ist mit geringerer Wahrscheinlichkeit proprietärer DRAM wie SDR oder DDR, sondern gehört eher zum oberen Technologiesegment (zum Beispiel DDR3 oder LPDDR3).

Das stetige Fortschreiten in Richtung autonomerer Fahrzeuge wird sich dramatisch auf den in Fahrzeugen genutzten DRAM-Anteil und die verwendete Technologie auswirken. Ein durchschnittliches L1-Fahrzeug im Jahr 2019 nutzt etwa 4,8 GByte DRAM für Aufgaben wie Infotainment und andere grundlegende Systeme. In den kommenden Jahren werden Infotainmentsysteme wahrscheinlich verstärkt in allen Fahrzeugen zum Einsatz kommen und dadurch mehr DRAM konsumieren. So liegt der Speicherbedarf bei L1-Fahrzeugen in 2024 perspektivisch bei etwa 6,8 GByte DRAM.

Anforderungen bei höherer Autonomie

Die DRAM-Anforderungen in höheren Autonomieebenen sind deutlich höher als bei L1. Die L4-Anforderungen liegen im Jahr 2024 voraussichtlich bei 116 GByte, jene bei L5 wahrscheinlich noch einmal 15 Prozent höher. Außerdem wird die in L4- und L5-Fahrzeugen verwendete DRAM-Technologie im höchsten Segment angesiedelt sein (im Jahr 2024 wird dies HBM3 oder LPDDR5 sein).

Es gibt mehrere Gründe für diesen dramatischen Unterschied in den DRAM-Anforderungen zwischen L1 und L4 beziehungsweise L5. Erstens erzeugt die Anzahl der Sensoren in L4- und L5-Fahrzeugen eine enorme Datenmenge, die einer Verarbeitung bedarf. Dieser Arbeitsaufwand benötigt sehr viel DRAM. Zweitens ist die Geschwindigkeit für die Datenanalyse so hoch, dass dies nur mit DRAM zu schaffen ist. Keine andere Speichertechnologie verfügt über die notwendige Geschwindigkeit, Latenz oder Bandbreite, um die Datenanalyse für das Fahren ab L4 auszuführen.

Drittens sind die Datenanalysegeräte (zum Beispiel die mit DRAM gekoppelten Verarbeitungseinheiten) unerlässlich für die Sicherheit der Passagiere, da L4- und L5-Fahrzeuge ohne Eingreifen des Fahrers funktionieren und aus diesem Grund eine Redundanz benötigen. Zum Vergleich: In Flugzeugen sind die Computer für den Autopiloten dreifach redundant; stimmt ein Computer nicht mit den beiden anderen überein, wird er ignoriert. Diese Art der Architektur wird erforderlich sein, um die Sicherheit zu gewährleisten.

Früher stellte das Automobilsegment weniger als zwei Prozent der DRAM-Nachfrage. Autonome Fahrzeuge ändern dies deutlich. Das Automobilsegment wird etwa zehn Prozent der DRAM-Nachfrage umfassen – wenn autonome L4-Fahrzeuge 10 Prozent der Neuwagenverkäufe ausmachen. Schließlich könnte das Automobilsegment mehr als 20 Prozent der gesamten DRAM-Nachfrage ausmachen – alles hängt davon ab, wie schnell dies angenommen wird und wie die gesetzlichen Anforderungen an Sicherheit und Redundanz aussehen.

Schlussfolgerungen

Das autonome Fahren löst eine grundlegende Veränderung im Bereich der Speicherbausteine für die Automobilindustrie aus. Die Nachfrage nach DRAM und NAND wird in den kommenden Jahren dramatisch steigen und dabei durch neue Systeme und Anwendungen für die nächste Generation von autonomen Fahrzeugen angetrieben.

Neue Business Cases tauchen im Automobilbereich auf und die wichtigsten Speicherhersteller – Samsung, SK Hynix und Micron – wetteifern, um ihre Position auf dem Automobilmarkt zu festigen. Derzeit ist Micron der Marktführer bei Speicherbausteinen für die Automobilindustrie und hat wichtige Partnerschaften mit den großen Playern auf dem Markt der autonomen Fahrzeuge (wie BMW) sowie im Bereich der KI-Chips (wie Intel Mobileye) geknüpft.  Letztere setzen wahrscheinlich die Speicher von Micron ein, um die Entwicklung der fünften Generation ihrer Autonomieplattform voranzutreiben. Koreanische Unternehmen werden jedoch keine neue vielversprechende Gelegenheit im Automobilsegment auslassen und der Wettbewerb um den Automobilmarkt könnte sich in den kommenden Jahren durchaus spannend entwickeln.

(na)