Speicherarten für autonomes Fahren

Anforderungen an die Speicher Bausteine

Derzeit kommen die vollständig autonomen Fahrzeuge in Ihrer Entwicklung langsamer voran als ursprünglich geplant. Deshalb wurden die Erwartungen an das autonome Fahren zurückgeschraubt. Aber nichtsdestotrotz geht mit der Digitalisierung der Fahrerkabine auch ein wachsender Bedarf an Speicher für die Automobilbranche einher, da Autos sich immer mehr zu einem bewegenden Rechenzentrum auf Rädern entwickeln. Deswegen hat in der Speicherindustrie sich ein tiefgreifender Wandel vollzogen, da das Automobil zu einem Haupttreiber für Speichertechnologien geworden ist. Dadurch wird sich auch das Design der Speicher ändern, um die Anforderungen der Automobilindustrie zu entsprechen.

Gleichzeitig werden etablierte Technologien wie NOR-Flash eine Rolle bei der Unterstützung schneller Bootvorgänge spielen. Der Autofahrer erwartet natürlich ein sofortiges Starten des Autos, wenn er den Schlüssel in der Zündung dreht.

Der Stromverbrauch ist eine weitere Herausforderung, denn die Bereitstellung von Rechenzentren auf Rädern erfordert eine hohe Rechenleistung. Das beschränkt sich nicht nur auf die Prozessoren, sondern auch auf den Speicher. Der Stromverbrauch wird bei vollelektrischen Fahrzeugen noch kritischer und stellt eine Herausforderung für das Wärmemanagement der Fahrzeugingenieure dar.

Autonomes Fahren

Der Grad der Autonomie der Fahrzeuge hat auch Einfluss darauf, wie viel und welcher Datenspeicher in einem Fahrzeug landet. Die derzeitige Entwicklung wird von Infotainment und ADAS angetrieben. Diese beiden Bereiche sind eher im Level 2 und 3 angesiedelt.

Es gibt derzeit besonders viel Raum für Wachstum im Segment der fortschrittlichen Fahrerassistenzsysteme (ADAS). Hier zu nennen sind adaptive Geschwindigkeitsregelung, Spurhaltung, automatisches Bremsen, Fahrerüberwachungssysteme und allgemein die Digitalisierung des Innenraums.

Wenn die OEMs und Zulieferer von BMW, Audi, VW und der weiteren bekannten Automarken die fortschrittlicheren Level-4- und 5-Implementierungen in Angriff nehmen, müssen noch leistungsfähigere und größeren Datensysteme eindesigned werden. Derzeit werden für Level 4 und 5 Daten in Exabyte Bereich erwartet.

Sogar bei Level 2 und 3 Anwendungen gibt es so viele unterschiedlichen Subsysteme, dass die erzeugten Informationen als Teil eines größeren Clusters angezeigt werden müssten.

Selbst ohne Selbstfahrfunktionen könnten potenziell Terabytes an Daten im ganzen Auto verteilt sein. Hinzu kommt das immer mehr und größere Displays in den Autos eingebaut werden und fortschrittliche Funktionen in Fahrzeugen der unteren Preisklassen immer mehr Standard werden. Diese Entwicklung führt automatisch zu mehr und schnelleren Speicherbedarf, der bald bis zu einem Terabyte betragen kann.

Enormer Anstieg an Daten

Auf lange Sicht werden sich natürlich autonome Fahrzeuge durchsetzen, insbesondere in Industriellen Zweigen, bei denen sich aufgrund hoher Personalkosten der Umstieg lohnt, wie z.B. bei Taxis oder im Fernverkehr. Bis es letztendlich soweit ist, wird es einen enormen Anstieg an gleichzeitig gesammelten Fahrzeugdaten geben und die Notwendigkeit diese zu speichern. Weiterhin kann man auch von einer Zentralisierung der Fahrzeugdatenverarbeitung ausgehen.

Die Menge an benötigten Daten, die aufgezeichnet werden müssen, erhöhen sich auch durch Konzepte wie Transportation as a Service (TaaS). TaaS bezieht sich auf den Kauf von Kilometern und Fahrten, ohne den Ärger des Fahrzeugbesitzes: Der Kauf und die Finanzierung von Fahrzeugen, Wartung, Benzin, Versicherung und manchmal sogar das Finden und Bezahlen von Unterstellmöglichkeiten. Die Nutzung von TaaS bedeutet, dass man sich nicht mit den lästigen Dingen des aktuellen Fahrzeugbesitzes herumschlagen muss und trotzdem Zugang zu den notwendigen Transportmitteln hat.

Während einige Funktionen von autonomen Fahrzeugen eine Echtzeitkommunikation erfordern, gibt es auch Fälle, in denen man über mehrere Tage hinweg Terabytes an Daten ansammelt. Ein Beispiel hierfür ist das Fuhrpark-Management. Austauschbare Speicher mit hoher Kapazität werden in diesen Bereich immer wichtiger.

Infotainment Systeme

Für Infotainment-Systeme mit immer höher aufgelösten Straßenkarten besteht ebenfalls ein zunehmender Bedarf an einer Systemarchitektur, die Rechenleistung und Speicher miteinander verbindet. Dadurch wächst die Kapazität der Flash-Speicher kontinuierlich, wie auch der Bedarf an schnellen Speicherprodukten wie eMMC und UFS.

Eine weitere Option sind auch NVMe, eine Softwareschnittstelle um SSD’s über PCI Express zu verbinden, ohne dass herstellerspezifische Treiber nötig sind. Diese Schnittstelle ist parallelen Zugriffen optimal und soll die Latenz sowie Overhead verringern und dadurch die Geschwindigkeit erhöhen.

Und auch jenseits von Infotainment-Systemen gibt es viel zu rechnen, da sich Fahrzeuge weiterentwickeln und mit externen Dienstleistern verbinden, um noch mehr Funktionalitäten ins Auto zu integrieren.

Navigation

Das Auto der Zukunft muss, wie jeder Roboter, der sich selbst navigieren kann, mit einer ganzen Reihe von Sensoren, Algorithmen und der notwendigen Rechenleistung ausgestattet sein. Dabei gibt es z.B. Bild- und Vision-Sensoren die Rechenleistung für die Verarbeitung der Daten benötigen. Diese Sensoren liefern Informationen für die Navigation und andere autonomer Fahrzeugfunktionen. Derzeit ist der größte Teil der Rechenleistung in den Fahrzeugen darauf ausgerichtet, mit externen Systemen wie einem GPS-Satelliten für die Navigation und dem internen Navigationssystem über die Sensoren zusammenzuarbeiten. Ein kombinierter Algorithmus verarbeitet die Daten sehr schnell und reagiert dabei sehr präzise. Es besteht jedoch immer die Möglichkeit, dass die Fahrzeuge aufgrund von Unwettern und anderen Ursachen von externen Leitsystemen abgeschnitten werden. Dann müssen die Fahrzeuge sich mit ihrem internen System allein weiterbewegen. Um eigenständig zu laufen, benötigen diese Systeme deswegen ihre eigene Rechenleistung und ihren eigenen Speicher.

Speicherverteilung

Obwohl es eine gewisse Notwendigkeit gibt, die Anzahl der separaten Datensilos im Fahrzeug zu reduzieren, muss es immer noch eine gewisse Segmentierung geben - es wäre riskant, geschäftskritische ADAS-Funktionen auf demselben Datenspeichermedium unterzubringen wie das Onboard-Entertainment für die Kinder. Wobei bestimmte Subsysteme auf Daten aus einem gemeinsamen Pool in diesem Cluster zugreifen, um Kosten und Effizienz mit Sicherheit und Zuverlässigkeit in Einklang zu bringen.

Diese Segmentierung der verschiedenen Automobilsysteme bedeutet, dass die Speicherbedürfnisse etwas unterschiedlich sind und sich auf Architekturen stützen, die in anderen Märkten bereits verwendet werden, wie z. B. im mobilen Bereich oder Iot.
Im Fahrzeug selbst gibt es einen Übergang von vollständig isolierten Systemen mit eigenem Speicher, wie Flash-Speicher für ein Infotainment-System, zu einem einheitlicheren Ansatz, bei dem alle Daten z.B. auf einen großen UFS Speicher gespeichert werden.

Werkzeuge für die Entwicklung

Um Speicherdesigns zu entwerfen, zu testen und zu debuggen eignen sich Protocol Analysatoren mit denen der Datenverkehr gestreamt und entschlüsselt angezeigt werden können sowie Programmer mit Unterstützung von einer Vielzahl von Speicher ICs.