Die richtige Wahl des Flash-Speichers bleibt zentral

Betritt man ein Fahrzeug-Servicezentrum, sind wahrscheinlich viele der Werkzeuge zu sehen, die immer mit der Behebung von mechanischen Problemen in Verbindung gebracht werden. Dies dürfte sich jedoch in den kommenden Jahren erheblich ändern. Mit der durch staatliche Pläne zur Reduzierung der Kohlenstoffemissionen unterstützten Zunahme von Elektrofahrzeugen (EV) benötigen Servicezentren eher einen Laptop als einen Schraubenschlüssel. Zwar ist die Verlagerung des Antriebs von fossilen Brennstoffen auf elektrische vielleicht die sichtbare Veränderung, doch neben Innenräumen, die immer mehr einem Smartphone ähneln, findet die bedeutendste Umwälzung an der im Inneren versteckten Elektronik statt.

Als die Elektronik die mechanischen Funktionen ersetzte, war der typische Ansatz, eine spezielle elektronische Steuerungseinheit (ECU) zu entwickeln. Im Laufe der Zeit wurden diese mit Technologien wie CAN, LIN und FlexRay vernetzt, um die Funktionalität zu optimieren, die Programmierung zu erleichtern und Diagnosen bereitzustellen. Dies hat jedoch zu Komplexität und mangelnder Flexibilität bei Fahrzeugplattformen geführt. Und für eine Generation, die mit dem Internet und Smartphones aufgewachsen und jetzt alt genug ist, um Fahrzeugbesitzer zu sein, steht dieser starre Ansatz im diametralen Gegensatz zu dem, was sie gewohnt ist, nämlich eine benutzergesteuerte Wahl der Funktionalität.

Die Automobilindustrie zieht jahrzehntelange elektrische und elektronische (E/E) -Architektur mit sich, sodass es eine Herausforderung ist, zu einem flexibleren, softwarebasierten Ansatz zu wechseln. Jede Funktion wird sorgfältig definiert, hergestellt und für die Verwendung zugelassen und kann nicht gegen eine Alternative ausgetauscht oder während ihrer Lebensdauer verbessert werden. ECUs sind in der Regel für den Einsatz in einem bestimmten Bereich konzipiert, z. B. in Antriebsanlagen, Infotainment, Karosserie und Komfort oder in fortgeschrittenen Fahrerassistenzsystemen (ADAS).

Übergang zu Domain-, Zonen- und Zentralarchitekturen

Damit Fahrzeugbesitzern zuverlässig neue Funktionen angeboten werden können, muss ein Großteil der Intelligenz in Software umgesetzt werden. Damit verschiebt sich das Automobildesign in Richtung Smartphone und liefert ein Stück Hardware, das regelmäßig Software-Updates und neue Softwarefunktionen erhalten kann. Eine große Herausforderung besteht jedoch auch darin, dass die Zuverlässigkeit dieses softwaredefinierten Fahrzeugansatzes beibehalten werden muss, insbesondere im Hinblick auf die funktionale Sicherheit.

Derzeit sind drei verschiedene Architekturen in der Entwicklung. Diejenigen, die sich für eine Domain-Architektur entscheiden, behalten Funktionalitäten, die zu einer bestimmten Domäne gehören, wie Karosserie und Komfort. Mehrere ECUs werden dann soweit wie möglich auf eine einzige, große und leistungsfähige ECU reduziert, auf der die Funktionen in Software implementiert werden. Das so entstandene Netzwerk wird mit einer Gateway-ECU verbunden, die Internetzugang zur Unterstützung von OTA-Aktualisierungen bietet (Bild 1).

Der zweite Ansatz, eine zonale Architektur, ist in vielerlei Hinsicht pragmatischer. Die großen, leistungsstarken ECUs befinden sich in jedem Viertel des Fahrzeugs, nahe dem Ort, an dem die Funktionalität benötigt wird. In einem Fond könnte der Domain Controller beispielsweise für die Lichtanlage, die nach hinten gerichteten Kameras, die Parksensoren und den elektrischen Antrieb der Kofferraumklappe zuständig sein. Jeder Controller verfügt über mehrere Funktionen (Beleuchtung, Türöffner), die in der Software implementiert und über Automotive Ethernet miteinander verbunden sind. Die Gesamtsteuerung erfolgt über einen zentralen Hochleistungscomputer (HPC), der an ein Gateway angeschlossen ist (Bild 2).

Schließlich gibt es noch den zentralen Ansatz, der von denjenigen Automobilherstellern verfolgt wird, die auf die Bereitstellung vollständig autonomer Fahrzeuge drängen. HPCs spielen dabei eine zentrale Rolle, und bieten ohne Ausbremsung durch unnötige Overheads älterer Systeme volle Softwareflexibilität.

Herausforderungen beim Flash-Speicher

Unabhängig vom gewählten E/E-Architekturansatz muss der für Code, Diagnose und andere Daten verwendete Flash-Speicher der Anwendung und ihrer Lebensdauer im Fahrzeug entsprechen. Aus heutiger Sicht soll die in der Entwicklung befindliche Domainarchitektur-Hardware im Jahr 2025 auf den Markt kommen. Die Hardware-Entscheidungen für diese Plattformen wurden jedoch bereits vor mehreren Jahren getroffen, was sich in der verwendeten Technologie widerspiegelt.

Während zum Beispiel die Smartphone-Industrie bereits weitgehend auf UFS umgestellt hat, konzentriert sich die Automobilindustrie immer noch auf den Wechsel von e-MMC auf UFS.

Für Telematik und ADAS nutzen die Hersteller bereits die größten verfügbaren Kapazitäten, beispielsweise den THGAMVT0T43BAB8 128-GB-Speicher, der auf der BiCS-Flash-3D-Flash-Speichertechnologie von Kioxia basiert. Für diese Systeme wird jedoch in der nächsten Fahrzeuggeneration voraussichtlich bis zu 1 TB benötigt.

Es ist zweifelhaft, ob der JEDEC-Standard für e-MMC weiterentwickelt wird, wobei die maximale Übertragungsrate 400 MB/s beträgt, verglichen mit 2320 MB/s für UFS-3.1-Geräte (Bild 3). Mit der Verwendung von UFS 3.1 und nachfolgenden Revisionen wie UFS 4.0 wird auch der Schritt weg von 2D hin zu automobilfähigem 3D-Flash erfolgen.

Kioxia ist führend in dieser Technologie und als Mitglied des JEDEC-Teams engagiert, den Standard zu definieren und mitzugestalten.

Durch die Entwicklung eigener Controller-Hardware und Firmware neben dem Flash ist es außerdem möglich, Funktionen hinzuzufügen, die die Schreibleistung (WriteBooster) und ebenfalls den Random-Lesezugriff verbessern (Host Performance Booster). Da die Automobilindustrie immer höhere Anforderungen an Flash-Speicher stellt und Speicher- Dichte und -Leistung eng miteinander verbunden sind, wird die Lösung in einem Wechsel von e-MMC nach UFS liegen.

Es gibt Vorschläge, zukünftig die Leistungsfähigkeit der Cloud zur Unterstützung von Fahrzeugen zu nutzen, die einige der neuen Innovationen berücksichtigen. Diese und andere Sicherheitsmerkmale hängen jedoch von zellulären Netzen wie der Fahrzeug-zu-Fahrzeug-Kommunikation (V2V) und der Fahrzeug-zu-X-Kommunikation (V2X) ab. Trotz der zunehmenden Einführung von drahtlosen Internetverbindungen in neuen Fahrzeugen erfordert ein Großteil dieser zukünftigen Funktionalität eine breite Zugänglichkeit zu 5G-Netzen, die noch nicht vollständig sichergestellt ist.

Dies bedeutet, dass ein Großteil der Technologie, die die Fahrzeugsicherheit und die autonomen Fahrfunktionen unterstützen wird, weiterhin in den peripheren ECUs ausgeführt werden muss.

Damit Algorithmen schnell ausgeführt und Ergebnisse gespeichert werden können, wird die zusätzliche Speicherdichte und Bandbreite, die UFS Managed Flash gegenüber e-MMC-Speicher bietet, für diese Anwendungen von entscheidender Bedeutung sein. Schließlich ist UFS eine Technologie, die sich wie die zugehörigen Speicherlösungen ständig weiterentwickeln wird. Zwar ist e-MMC nicht veraltet, die Verfügbarkeit älterer Prozesse nimmt jedoch, wie bei jeder Halbleitertechnologie, mit der Zeit ab. In der Automobilindustrie, wo die Versorgungssicherheit eine entscheidende Rolle spielt, wird dies eine Herausforderung darstellen, wenn nicht zeitnah auf UFS umgestellt wird (Bild 4).

Die Welt des Automobils ist im Wandel, und dieser Wandel vollzieht sich rasch, da die Fahrzeugbesitzer ein Nutzungserlebnis suchen, das dem eines Smartphones ähnelt. Für die Automobilindustrie ist klar, dass die E/E-Architekturen der Vergangenheit diese Anforderung nicht erfüllen können. Vielmehr würden sie davon profitieren, wenn sie auf Hardware umsteigen würden, die über viele Jahre hinweg weitgehend unveränderlich bleibt und in einer Reihe von Fahrzeugen eingesetzt werden kann, wobei die implementierten Funktionen durch Software definiert werden müssen.

Angesichts der in der Entwicklung befindlichen Domänen-, Zonen- und zentralen Architekturen ist die Wahl des Flash-Speichers ein entscheidendes Puzzlestück, um das softwaredefinierte Fahrzeug zu ermöglichen. Akteure der Halbleiterindustrie, wie Kioxia, verschieben kontinuierlich die Grenzen, um die für solche Anwendungen erforderlichen höheren Speicher Kapazitäten und Durchsätze zu liefern. Mit Blick auf die Zukunft wird der Trend in der Automobilbranche darin bestehen, e-MMC durch UFS zu ersetzen, das einen fünfmal höheren Daten Durchsatz bietet und eine Speicher-Kapazität von 1TB Grenze überschreiten wird, was dann zwangsläufig zum Übergang von 2D zu 3D Flash führt. (neu)