车载高速存储器“UFS 4.0”终于登场
加速自动驾驶技术的进步

转载源:EE Times Japan
转载自EE Times Japan 2024年1月31日发布文章
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部门名、头衔为采访当时的内容。

由对闪存了如指掌的铠侠开发

随着自动驾驶技术的发展,汽车所使用的数据量也正在稳步增加,因此市场需要一种能够高速读写海量数据的高性能存储设备,而能够第一时间响应这一需求、并且开发出符合最新“UFS 4.0”标准车载存储设备的公司正是铠侠。

 

 

汽车的进步导致了存储条件的变化

    自动驾驶技术目前正在朝着实现全自动驾驶的方向急速发展。L3级自动驾驶(根据美国SAE的定义,属于有条件自动驾驶)已得到了实际应用,而主要汽车制造商自2021年以来也一直在向市场推出符合L3级自动驾驶要求的车型。

    与此同时,车用E/E(电气/电子)架构也正在向下一代转变,这是为了集成由于引入ADAS(Advanced Driver Assistance System,高级驾驶辅助系统)和信息娱乐系统等新功能而不断增加的ECU(Electronic Control Unit,电子控制单元)和车载网络等。

       在几乎不搭载自动驾驶及辅助功能的传统汽车中,在所需的部位配置单一功能ECU的分散式设备是主流的做法。而搭载ADAS的L3级车型大都采用的是“域类型”,也就是一般通过对功能进行集成的方式,为每个功能分别配置ECU。此外随着自动驾驶水平的提高,预计主要的域类型ECU将会得到集成并将演变“中央集成式”,也就是在中心配置以类似执行高负载处理和控制的服务器的ECU。
    因此可以说,数据存储对于E/E架构的发展至关重要。随着向域类型系统和中央集成式系统的演化,对于连接各ECU的网络进行提速也就成为一种必要的手段。不仅如此,ADAS和自动驾驶还需要使用海量的数据,包括来自摄像头和LiDAR的传感器数据、高精度地图数据、他车和行人信息(V2X)以及AI(人工智能)运用所需的机器学习模型等,这意味着写入和读取ECU所搭载存储器的数据量将急剧增加,因此需要一种能够高速传输大量数据的车载存储设备。
 

车载系统架构的趋势

汽车E/E架构正在从上图左侧所示的分布式架构转变为右侧的中央集成式架构。因此,车载存储(图中红色部分)在数量减少的同时其容量将有所增加,并且需要高速的读取和写入。 来源:铠侠

铠侠是能够快速把握这一趋势并开发出符合最新存储标准高性能车载存储的公司。

闪存的发明者铠侠

 「铠侠是NAND闪存的发明者,其使命是“用存储让世界更有趣”。闪存是所谓非易失性存储器的“代表”,其中记录的数据即使在电源被关闭后也不会消失。搭载闪存的存储卡等存储设备具有重量轻、抗冲击、低功耗的特征,由于易于加以小型化,因此被用于从PC、智能手机和家用电器等消费类设备到汽车和数据中心的各种电子设备和系统。可以说,闪存是与人们息息相关且支撑起社会基础设施的技术之一。
    作为NAND闪存的发明者,铠侠在过去超过35年间引领着闪存和SSD行业。2007年,公司发布了3D闪存技术,为因存储单元小型化陷入困境的行业展示了3D这一新的发展方向。
     在车载存储领域,公司积极扩大采用“e-MMC”和“UFS”标准的产品阵容,车载用e-MMC于2013年出厂,车载用UFS于2017年出厂,铠侠生产的这些车载存储设备已被广泛应用于车载信息娱乐系统、ADAS、远程信息处理和数字仪表盘等汽车应用。
    还是铠侠,这次又发布了符合“UFS 4.0”标准的最新车载存储产品。
 

通过串行通信实现高速化的“UFS”

    UFS(Universal Flash Storage,通用闪存)是嵌入式存储标准“e-MMC(embedded Multi Media Card,嵌入式多媒体卡)”后续标准。e-MMC和UFS都属于JEDEC的标准规格,其特征是将闪存和控制器集成在同一个封装中。
     e-MMC于2007年成为一项标准,至今仍运用于许多消费类电子产品、工业设备和汽车。然而使用并行接口的e-MMC在高速传输速度方面已经达到了极限,无法突破400MB/s的速度。因此,对于需要更快运行速度的高端智能手机来说,e-MMC已经越来越无法满足其要求。
     而打破这一瓶颈的是于2011年制定的UFS。UFS使用串行接口,支持全双工通信,可以同时执行与主机设备之间的数据读取和写入。由此,远超e-MMC的高速传输成为可能,2020年发布的UFS 3.1实现了高达2320MB/s的传输速度,而最新的UFS 4.0则实现了最高为 4640MB/s的传输速度。
 

「e-MMC」和「UFS」的比较

“e-MMC”与“UFS”的对比。UFS通过采用串行接口实现高速数据传输。 来源:铠侠

     最早运用于移动设备的UFS的用途已经被扩展到了汽车应用。L3级车型搭载符合UFS 3.1标准的存储设备已成为主流,而许多汽车制造商正计划将UFS 4.0用于需要快速数据传输的未来车型。

 

 

符合UFS 4.0标准车载存储的早期发布

     铠侠很早就展开了UFS产品的开发。UFS串行接口对物理层使用MIPI联盟标准的“M-PHY”,对M-PHY接口使用“UniPro”协议。铠侠还参与了M-PHY/UniPro规范的制定,也参与了其标准化的工作。在移动领域,铠侠于2013年发布了符合UFS 1.1标准的存储产品, UFS 4.0 样品于2022年6月出厂。在汽车应用方面,符合UFS 3.1标准的产品样品于2022年3月出厂。
     现在,车载用UFS 4.0兼容存储(以下简称为“车载用UFS 4.0”)的样品也已经出厂。在铠侠存储事业部存储应用技术统括部存储应用技术第一部任部长的山本哲也强调,“我们领先整个业界完成了发布”。
     山本先生表示,“我们还积极参与了UFS 4.0用M-PHY和UniPro的规范制定,以车载用UFS 4.0的早期投产为目标的开发取得了进展。本公司在M-PHY和UniPro领域具备较高的技术能力,而对这项技术的全面应用也是加快开发进程的因素之一。”
     铠侠的车载用UFS 4.0支持-40℃至105℃工作温度范围,符合AEC-Q100的Grade 2要求,最大读取速度为4,000MB/s,最大写入速度为2,000MB/s[注1],读取性能约为铠侠上一代[注2]车载用UFS 3.1的两倍。
     对于之所以能够实现上述性能的原因,山本先生说,“我们的闪存本身的性能和闪存控制器技术是关键因素。”


 

铠侠存储事业部 存储应用技术统括部 存储应用技术第一部 部长 山本哲也

铠侠存储事业部 存储应用技术统括部
存储应用技术第一部 部长 山本哲也

铠侠存储事业部 存储应用技术第一部 存储应用技术第二担当 参事 森若林

铠侠存储事业部 存储应用技术第一部
存储应用技术第二担当 参事 森若林

铠侠存储事业部存储应用技术第一部存储应用技术第二担当任参事的森若林先生表示,“作为核心技术的闪存采用第5代BiCS FLASH[注3]。我们从一开始就计划实现车载设备的量产,因此将其设计为能够在高温下也能运行的产品。车载用途的量产已于2023年开始,在生产上也已经成为一项日趋稳定的技术。”

       控制器的自主研发也是铠侠的一大优势。 无论闪存元件有多好,控制器的存在都是必不可少的,这样才能发挥其性能,并且使存储设备实现接近UFS等标准所设定的最大值。

       有些闪存制造商使用第三方生产的控制器。对此,山本先生说,“铠侠从一开始就坚持自行开发控制器。”他表示,“对控制器的闪存实施精细控制和管理,是影响到存储性能的最重要部分之一,如果没有丰富的闪存知识,就很难开发出可以实现高性能存储的控制器。”

    森先生说:“对于控制器而言,除了类似PHY的模拟元件外,数字电路技术对于增加功能和实现低功耗也是必不可少的,本次开发的车载用UFS 4.0符合相应的标准,并且对控制器进行了最优化处理。尤其是对于最大2000MB/s的写入性能而言,控制器的技术是行之有效的,只有具备优秀的序列才能实现高效的数据写入。”
    铠侠的车载用UFS 4.0支持“HS-LSS(High Speed Link Startup Sequence)”功能,可实现系统的高速启动,并且具备允许用户确认设备操作历史记录的诊断功能,以及刷新老化数据以保持可靠性和耐久性的刷新功能。该产品备有128GB、256GB和512GB三种容量[注4]
 

实现自动驾驶所需的技术与存储设备的作用

中央集成式E/E架构的概念图。 在车载网络中交互传递着大量的数据,如位置信息、传感器获取的周围信息、地图信息等,其中心配置的是具有类似服务器作用的ECU,所使用的是车载用UFS 4.0的高性能存储设备。 来源:铠侠

支持应用发展的闪存

    山本先生强调:“作为闪存制造商,我们的使命是抢先开发基于最新标准的内存和存储产品。”他表示,“就车载用UFS 4.0而言,开发UFS 4.0主机SoC(System on Chip,片上系统)的制造商甚至无法对他们的SoC进行评估,除非我们首先开发出来。在制造商开发出最新的设备和系统后,内存不应该成为一项瓶颈问题,我们始终具备这样的意识。”

       森先生也对此充满热情。他说:“我们应该通过尽快引入UFS 4.0而为汽车行业做出贡献,并期待着与我们的生态系统合作伙伴一起加快车载用UFS 4.0量产的准备工作。”

        为了使“L5级”全自动驾驶汽车成为现实,车载电子控制单元(ECU)的发展将继续进行。像智能手机那样通过软件更新不断更新其功能,让您将能够体会到“可以比昨天更平稳地转弯”的汽车终将登场。可以高速读写大量数据的铠侠车载用UFS 4.0应该就是这种足以支持这一发展的技术。“本公司对闪存了如指掌,请一定试试我们的车载用UFS 4.0”,山本先生说。

铠侠森先生与山本先生
  1. 1 MB/s按1,000,000 bytes/s计算。这些数值是在铠侠株式会社的特定测试环境中获得的最佳值,铠侠株式会社不保证在个别设备中的读写速度。读写速度可能取决于所使用的设备和所读取或写入的文件大小。
  2. 与铠侠的上一代产品“THGJFGT2T85BAB5”对比的数据。
  3. “BiCS FLASH”是铠侠株式会社的注册商标。
  4. 这里所显示的产品容量是基于已安装的闪存,而不是用户可用的内存,因为一部分内存将用于管理功能。可用的用户区域,请查看产品规格以确认可用内存容量。(内存容量1GB = 1,073,741,824字节)