涅槃汽车: 智能座舱数据存储技术浅析

2022-12-16 15:29   来源: 环球风尚网    阅读次数:4396

  近期,涅槃汽车发表了一篇文章,对智能座舱数据存储技术进行解析,内容如下:

  1智能座舱的存储越来越重要,容量越大越大。

  我们都知道,中国新能源汽车逐步在迈向正轨,越来越多的用户选择具有更多智能化的新能源汽车,从最近5-10年的发展趋势来看,汽车已经从机械定义汽车到电子定义汽车,到最近的几年火的发紫的软件定义汽车。

  汽车硬件通用化之后,汽车软件的研发环境也变得更加容易,包括操作系统搭建、应用生态构建在内的软件应用场景,就有了施展的空间。如同PC 和智能手机一样,汽车的差异化主要体现软件上,即软件定义汽车,中国新能源汽车往智能汽车方向进化后,正在复制当年智能手机在中国制造业快速复制的道路。

  最近几年智能座舱发展越来越快,整个智能座舱已经是整个主机厂的“内卷之王”的必争场地,它可以满足用户的多重需求,用户对于车辆希望越来越像手机那样智能化,除了驾驶的舒适性外,更多的个性化设置,人机交互,都能让用户体验到这个车的情感需求。

  而且现在主机厂竞争愈发同质化,需要形成产品差异化,而智能座舱恰好是一个突破口,互联网企业在移动终端市场饱和的情况下,英雄所见略同的认为汽车将是继PC、手机、平板电脑之后的另外一个智能终端载体,而智能座舱就是这个载体最重要的承载物。

  回顾一下手机存储容量的趋势变化:

  在智能机兴起之前,基本上就是诺基亚的功能机的天下,比如2009年诺基亚的神机5230,存储容量就是256MB,这个容量没有办法存储一部现在的高清视频,当时还是塞班系统,基本上没有应用APP的功能,就一些简单的听歌、打电话、简单游戏等功能。

  后面逐步发展到了2010年左右的智能手机,最开始出来的时候,苹果4的手机存储是16GB-32GB,那个时候可以进行一些简单的视频通讯,简单的游戏,没有办法本地存储高清地图,都是在线缓冲。

  想想现在谁买一个新手机还不得64G容量以上,如果你是32G的iPhone7 每天删图片和缓存都累死了,随便一个APP应用就几百MB了,微信聊天记录就占用10个G存储。

  到最近发布的手机,手机存储没有一个256G都不好说自己是最新款的手机,因为手机存储的照片越来越高清,视频存储内容也大,而且绝大部分人的手机的APP数量已经超过100个了,所以手机存储容量会越大越大。

  再来看看汽车智能座舱的发展历程(及存储要求):

  1)上世纪90年代,机械化阶段:包括机械式仪表盘及车载收音机、对讲机等设备,密集的物理按键操作,仅提供车速、发动机转速、水温、油量等基本信息。

  此时的存储还是以NOR FLASH为主,类似于手机的诺基亚时代,只需要存储简单的行驶里程,收音设置等信息,存储需求都不会大于100MB。

  22000-2015年,电子化阶段:电子技术进入座舱,座舱内配备小尺寸中控液晶显示屏、车载导航、蓝牙、媒体播放设备等较为简易的电子设备。

  这个时候的存储需求逐步变大了,有操作系统了,需要存储空间来放置操作系统,同时有一些地图数据需要内置在存储里面,而不是像以前通过TF卡来更新地图,因为可以联网实时更新地图了。特斯拉在这个阶段甚至把网页浏览器也放到了中央显示屏里。这个时候车里面人机交互不多,而且没有那么多APP应用上车,所以此时的存储容量基本上是16GB左右。

  32015年起,智能化时代迎面而来:座舱智能化的开启以大尺寸中控屏的出现为标志,消费电子技术进入汽车领域,液晶仪表、中控屏、抬头显示系统、视觉感知、语音交互等通过域控制器实现集成并装配在座舱内,能根据驾驶员、乘客的偏好、习惯和需求,提供更加舒适、智能的驾乘体验。

  此时就来到了类似手机智能化“堆料”时代,产业界一般形容智能汽车就是带四个轮子的智能手机,其主要的原因就是,汽车硬件标准化之后,会出现类似当年苹果iPhone智能手机引领产业链风向一样,硬件结构设计基本固定成前后盖夹住主板电池的直板设计后,能够显示产品差异化的,只有系统软件、电子元器件配置、以及新材料材质应用等方面,智能手机的差异化被行业统称为“堆料”行为。

  先来看看常见液晶仪表对于eMMC容量的要求的诉求,下图是使用一个i.MX6DL平台的12.3寸全液晶仪表的项目,此时可以看到这个项目对于eMMC的容量诉求比较小,只需要533MB,最大的资源就是UI图片资源,因为好多汽车都需要有多套UI界面的需求,比如在汽车切换为运动模式的时候,此时的UI界面就比较炫丽,而切换到经济模式,此时就比较平和的UI,这样更能给用户更好的体验,所以仪表的存储大小主要是图片UI资源占用比较大。

  

  上图可以看到eMMC容量需求是533MB,实际4G eMMC都绰绰有余了,为什么很多主机厂都选用8G 的eMMC,主要是现在小容量4G的eMMC基本上快淘汰了,只剩下镁光和闪迪有车规级的小容量eMMC芯片,而且价格也同8G eMMC相同,交期还没有8G eMMC好,有93%的设计余量,容量浪费就浪费呗,反正价格和交期在那里。

  再来看看中控导航主机对于eMMC的容量需求,在比较传统的不带在线地图的导航主机,使用8G eMMC就够了,主要是离线地图占用的最大空间。

  从数据来看最大的部分是离线地图,如果是高清地图数据这部分接近10个G,如果安装一些应用,比如喜马拉雅、蜻蜓FM等等,这部分还需要预留给客户下载数据的空间,否则用户按照了这个应用也无法本地下载缓存,只能在线收听,这个是很不好的体验,所以正常情况下的中控导航主机的eMMC的容量普遍是32G。

  逐步开始内卷域控制器

  原来的座舱里面的控制器基本上是分开的,导航主机是一家,液晶仪表是一家,同时还有一个AVM全景一家,还有TBOX等,这里线束连接就非常复杂,而且不同供应商直接的协调调试也非常复杂。

  而且现在使用域控制器变更走线简单,而且可以集中资源进行开发,一个域控制可以替代很多不同的设备。

  而这个过程中,最内卷的莫过于域控制器,这个时候的智能座舱的“堆料”更多的是域控制器的开始大批量使用,一芯拖多屏,一个主芯片带动不同的设备,现在最火的高通8155,可以带动中控导航、液晶仪表、HUD、行车记录仪、TBOX、后排头枕显示等等。这个时候的存储容量需求就会变得尤为重要,需要把满足原来各个部件存储容量的需求,而且还加入了很多人机交互的需求,对于容量需求变的更大。

  上图是理想L9的智能座舱,官方宣传的是:理想L9标配两颗高通骁龙8155芯片,同时具备24GB内存和256GB高速存储能力,共同组成强劲的计算平台。

  极氪001搭载的基于8155计算平台升级而来的新一代极氪智能座舱,采用7纳米制程8核CPU、16G内存和128G存储空间。

  小鹏P7搭载的是高通晓龙820A,上一代的域控制器芯片,存储是8+128GB的存储容量,这个容量主要是为了让用户可以搭载更多的APP,而且支持小程序扩展,实用性和娱乐性都很强。

  汽车装置了完善的视觉传感器配置,包括各种RGB图像数据、环视光线追踪数据、景深深度信息数据等,具有天然的AR\VR\MR影像生成与制作优势,一旦其视觉处理能力开发出来,配合智能汽车的高清显示屏幕装置和AR-HUD虚拟显示装置,最可玩的智能终端。不管是端还是云,海量的存储空间都是必需的。

  可以看到这个阶段的存储容量需求是从64G-512G发展,随着人机交互,存储的高清视频内容要求,以及域控制融合的功能大小不同,存储的容量是逐步增大的。

  总结:

  其实所有的信息数据化智能产品都跟生物界的智力程度一样,决定智能水平的最基本指标就是脑容量大小。以此类比,对于智能产品来讲,其智能化的水平也是和芯片的算力大小息息相关。

  在这波智能座舱的浪潮中,存储芯片的容量大小至关重要,最初都是依赖于存储空间的突破。只有产品的存储空间足够的情况下,才能装载更大的系统软件和应用软件,并存储更多的数据用于生产与服务。

  2.智能座舱的存储芯片的要求

  既然大家都知道存储容量越大越好,车机的内存是不是也可以类似手机这样,直接更换大容量芯片呢,而且手机内存升级的技术都这么成熟了,那么在车载的域控制的存储芯片目前都还比较小,能不能自己更换一步到位呢?

  答案是还真不能直接更换,虽然都是存储芯片,智能座舱的芯片和普通消费级的存储芯片区别还真的不是一丁半点,接下来仔细说说。

  2.2.1安全可靠性的要求:

  先来看一个案例,特斯拉因内存问题,召回了约 13.5 万车,其中包括 2012 至 2018 年产的 Model S,以及 2016 至 2018 年产的 Model X,特斯拉表示8GB eMMC 内存达到寿命后,对应的控制器会失灵,从而导致屏幕上的后视、除霜设定、调整转向灯等功能都无法正常工作。这一问题一般会在用车五到六年后开始出现,特斯拉现在给出的办法是免费更换 64GB 的 eMMC内存。

  智能座舱域控制的存储芯片必须要达到车规级要求

  由于汽车是一个耐用型消费产品,所以同消费电子市场不同,需要有非常久的供货周期,由于供应链的标准非常严格,而且车载存储本身在设计和生产上都会面临比较大的挑战。

  汽车车规级芯片的设计非常长,而且域控制的存储芯片,存储非常重要的一些车身控制信息,上面那个特斯拉就是一个例子,所以需要对于重要信息存储的应用保障,需要有非常高的安全标准。

  首先要保障的就是高温度的运行条件,普通消费电子产品就是在-10摄氏度-50摄氏度能够正常工作就行,由于汽车行驶的外部环境温度变化非常大,比如像后视镜那个区域,太阳长时间照射后的温度可以达到90-100度左右,这对存储器的宽温控制性能有很高的要求。不同位置的存储要求还稍微有一些区别,如果是单纯的娱乐产品,不涉及到安全应用等数据,要求-40到85摄氏度,如果是智能座舱的域控制存储芯片,这个至少要满足-40度到105度的温度设计,以保证在极低温环境和高温环境下的宽温范围内存储性能都可稳定发挥,故障率为0。

  信号的可靠性及完整性要求:

  在很多驾驶环境下会经常有电磁波等环境干扰,这对数据的可靠性也会产生不小的影响,所以在设计上也会针对存储器的抗干扰性能做很多工作。除此之外,在关乎整车行驶安全性的部分,车载存储器在响应速度、抗振动、可靠性、纠错机制、Debug机制、可回溯性以及数据存储的高度稳定性等方面,相比消费类产品来说也都提高了很多个量级。

  不是所有的牛奶都叫特仑苏,不是所有的存储芯片都是车规级存储芯片。芯片从设计到车上测试验证、真正实现量产一般需要至少4~5年,是经过长时间的验证,不能轻易更换存储芯片。

  智能座舱域控制对于存储容量的要求:

  车机硬件主要是原始感光或应声部件,用于接收DMS摄像头输入的驾驶员面部或手部信息及OMS输入的乘员信息。同时,接收车内乘员输入的相关语音信息,车载音响、显示等硬件单元。

  可以看到,智能座舱域控制的算力和存储都非常庞大,要处理非常多的事项,包括人机交互语音、人脸、手势等各种信息的处理。

  还有中控导航、液晶仪表、HUD等显示信息的输出,还要兼容第三方软件APP的应用,包括天气、地图,还有系统软件的存储,车机权限的管理、车机OTA升级的处理等等,对于存储芯片的要求,前面已经提到了空间要大的诉求,除此之外还有一些其他性能的要求。

  2.2.2读取速度要快。

  无论是技术还是容量,车载导航基本上都是复制着手机的发展趋势,最开始车载导航的地图都是使用外接的SD存储卡进行存储,要更新地图的时候,直接把SD卡取出来去4S店进行更新最新地图就行,而且每年都要付费。

  现在手机的接口都从eMMC到UFS接口了,智能座舱存储芯片的接口也会从eMMC接口变更到UFS接口了,再来看看为什么有这样的趋势。

  2.2.3可灵活配置SLC存储的需求。

  在5G移动网络下,智能汽车还有一个内存消耗大户,就是事件记录装置。以前的汽车最多配一个行车记录仪,记录一些简单的交通取证视频,以前很多时候都是插入TF卡,把数据存储在TF卡里面。

  不同质量的TF卡的擦写速度不同,而且经常振动,导致这个接触不良,就会存在卡损坏,擦写久了以后,写卡的速度会下降的非常厉害,经常是半年左右就要更换一张卡,否则就损坏了。上图可以看到1200次擦除后的数据同最开始做对比,擦写寿命降低了30%,错误率增加了50倍,写卡速度也降低了90%,基本上就是处于报废边缘了。

  大家都知道,如果开车行车记录仪中存储的内容基本上是一周左右,因为那个存储卡的刷写都是覆盖方式,比如一个16G的TF卡,视频存储满了16G后才逐渐把前面的内容进行覆盖,所以如果哪天心血来潮要看一个月的视频数据,对不起,这个已经覆盖掉了。

  为了改善用户自己配卡,经常接触不良,一年左右就要更换TF卡的尴尬体验,很多车厂都已经逐步开始使用内置的UFS的存储器来进行数据的存储。

  首先还是确定一个概念,EMMC是NAND FLASH构成的,所以NAND FLASH的SLC、MLC、TLC在EMMC中同样存在,也会存在擦写寿命的困扰,正常SLC可以擦写的寿命是60000次,缺点是存储容量低,大容量的非常贵。现在大容量的EMMC芯片,主要还是MLC格式。

  以1080P录制高清视频为例,1080P60视频1秒钟的数据量大小 = 2200 X 1125 X 60 = 148.5M,视频的格式是RGB888的传输格式,摄像头过来的信号基本上是YUV4:2:2,此时1S的数据量为100M,录制一分钟的视频容量大小是100MB*60S= 6GB的数据,录制一个小时视频的原始数据就是 360GB。

  此时录制到EMMC的数据,是视频压缩数据,一般压缩格式是H.264,此时压缩的比例为60:1,此时一个小时占据的存储大小也是6GB。

  如果此时划分32GB容量大小给到行车记录仪进行录制,此时相当于可以录制5个小时左右的视频就需要进行强制覆盖了。一天24小时,也即是可以进行4次左右的覆盖,按照3000次额擦写寿命,也就是可以满足750天的使用寿命,这个时候完全达不到车厂要求的10年的寿命周期要求。

  此时可以这样选择,把32GB的MLC存储空间配置为16GB SLC格式,这个时候虽然存储空间减少为了一半,只有16GB,但是可以支持的擦写次数变为60000次了,此时计算出来,可以满足17.86年的循环使用寿命。

  因为智能座舱有不同存储的要求,需要支持类似行车记录仪等大数据的读写存储,而且寿命要求比较高,所以需要支持能够灵活进行SLC的配置要求。

  2.2.4可支持动态动态磨损均衡技术

  由于闪存的可擦写次数是有限的,当某些数据被频繁修改时容易导致对应的块很快被耗尽使用寿命,从而导致整块盘无法使用,所以需要有一种技术来将这些块的擦写均摊一下,延长使用寿命。

  首先看几个相关的基本概念:

  因为闪存不能覆盖写,如果要修改已有的数据需要将原有的数据擦除再写入新的数据。被频繁修改的数据很烫,叫做热数据,而写入以后就很少修改的数据无人问津就像打入了冷宫一样,叫做冷数据。

  已擦写次数较少的block,还很年轻,生命力强,所以叫做Young block。相对的Old block就是已擦写次数较多的block,剩下的次数不多了。

  闪存又贵还擦写次数那么有限的,这还怎么玩?于是有了Wear Leveling这样的技术通过磨损均衡来延长闪存的寿命。

  在没有wear leveling的情况下,某些block很可能会被频繁的反复擦写,最终报废,降低了闪存的寿命。Wear Leveling技术就是将擦写操作均摊到各个block,以防止某些block被提前耗尽使用寿命。

  Wear Leveling技术按算法分为动态和静态,按作为域分为本地和全局:

  在车载领域重点使用的是Dynamic Wear Leveling 动态磨损均衡,当需要覆盖写的时候,新的数据写到free的page上,而旧的数据被标记为invalid,等待垃圾回收擦除。

  从上图中可以看出2nd WRITE去改写LBA#6的数据,被写到了新分配的page并不是直接在原page上做修改。3rd WRITE也是同理,到Nth WRITE,数据已经被改写了N次,但是垃圾回收还没有发生,所以有很多的Invalid page。

  对比上图垃圾回收的左右两个图,可以看到垃圾回收把Invalid的page都擦除了,而且数据LBA#6也被搬移到了新的block。这是因为就像开头说的,闪存擦除的最小单位是block,所以当block中有用户数据的时候是需要迁移的。

  弊端:动态磨损均衡有一个明显的弊端是,当一个数据是冷数据,放在那里N久都没被修改的情况下,他所占用的block擦写次数很少,但是又不能拿来做磨损均衡。

  2.2.5 SMT烧录数据的稳定性。

  很多使用EMMC的厂家,这个烧录也是非常痛苦的一个过程,有的是前面通过烧录器提前烧录好后,过完SMT后,在DIP组装工序发现部分不开机,这个时候就非常痛苦,需要排查半天的问题。

  最终定位到软件丢失,此时又需要重新烧录软件(如果是内置高清地图10G),经常是通过USB来升级,此时一台的烧录时间至少为15分钟以上。

  这个十分影响产线的生产效率,如果不提前烧录,直接在后端进行烧录,此时就无法通过SMT后进行对应的功能检查,同时也需要大量的烧录工装,也是否影响整个生产节拍。为什么会发生掉软件的问题呢?

  前面已经知道,TLC、MLC和SLC的差异,TLC制程的,比如在0-3.3V中要分离出8个等级,此时过SMT 245℃的回流焊接的时候,此时电平在里面极容易进行轻微放电,此时就可能把L5的电压修改到L4或者其他等级。

  而SLC,只有高低电平的区别,此时这个反而没有那么容易放电跌落进去,范围分界线比较远,所以看到掉程序的都是MLC 制程以上的eMMC,而是数据都是放电导致,因为机器本身没有上电,不存在充电的情况,所以数据位的翻转都是由1修改为0的错误。

  目前西部数据的车规级级芯片,支持100%的预烧录,完全让用户放心的使用,不用担心SMT掉数据的风险,解决了用户的后顾之忧。

  3、西部数据iNAND AT EU312 UFS满足智能座舱存储的白马王子

  3.1高容量(存储容量范围从16G-256GB可选)

  首先这个系列是有不同容量配置的,可以满足智能座舱不同阶段产品的存储容量需求。

  可以看到存储容量从16GB-256GB系列都有,有的车型还是传统配置,此时中控导航可以选择32GB的配置,如果已经是高通8155或者8295的配置,此时存储可以选择128GB,甚至256GB的配置。

  3.2高可靠性

  除了容量可以满足整个智能座舱的需求外,在可靠性安全性方面,西部数据也是下足了功夫。

  新款256GB 西部数据iNAND AT EM132 嵌入式闪存盘采用64 层3D NAND TLC 闪存技术,产品生命周期超越了2D NAND,以满足不断变化的应用需求和不断增长的容量需求。

  西部数据iNAND AT EM132 嵌入式闪存盘通过了 IATF16949 认证,符合 AEC-Q100标准,并遵守 ISO26262 NAND 闪存安全机制指南,还囊括了专为密集型汽车工作负载而设计的丰富汽车功能,包括:先进的运行状况监控、热管理、自动和手动读取刷新、强大的电源管理、数据保存性超过JEDEC 标准、先进的数据保护和纠错技术。

  3.3高速度

  基于优化的3D NAND技术和快速的UFS v2.1接口,EU312 EFDs的iNAND提供了卓越的读写性能,为大多数数据密集型汽车应用程序提供了嵌入式存储解决方案。

  写入速度高达550 MB/s ,读速高达800 MB/s,完完全全能够满足现在智能座舱的读写速度的要求。

  3.4灵活的汽车特殊功能

  包括高级运行状况状态监视器、增强的电源故障保护、快速启动、增强的SLC LUN和OEM可配置的启动分区。

  由于汽车运行在非常复杂的环境,会存在中控导航的供电线和车身的蓄电池12V电源接触不良的情况下,而且车规级的7637-2的实验也会这样的模拟掉电50ms在恢复正常电压的情况,正常中控导航设计会有大电容来保障这样的意外掉电时整机能够正常运行,所以也需要各个零部件能够有增强的电源保护,保障存储存储的安全。

  此时如果不使用增强的电源保护,在进行关键数据的保存时候,就会有失效的风险。

  针对广泛的读/写密集用例进行优化,这个在一些数据经常需要读写的区域,是非常有用的,比如前面提到的行车记录仪的图像保存的区域,不适合做全区域的动态均衡,此时这个功能就能让寿命提高不少。这几个汽车的特殊功能对于智能座舱而言,都非常重要。

  选择西部数据存储,智能座舱存储芯片放心使用。

  西部数据有30多年的闪存开发和系统设计专业经验。在闪存芯片的设计、制造、装配、测试、可靠性分析和监控的完全垂直集成,支持整个产品生命周期。

  在车载存储方面,可以扩展PCN和EOL的支持,也支持提供汽车行业专有的生产部件批准程序(PPAP)文件,iNAND AT 系列专为高可靠性车载应用而设计,整个制造流程中DPPM都非常低。

  媒体联系:bella.zhang@np-automotive.cn


责任编辑:赵硕
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