Память для автомобилей будущего

Для беспилотных автомобилей требуются объемные хранилища данных для цифровых панелей в салонах и экранов информационно-развлекательной системы

Пандемия создала множество проблем на пути развития современных транспортных средств – люди предпочитали не пользоваться услугами райдшеринга и общественным транспортом, а многие и вовсе не выходили из дома. Индустрия беспилотных автомобилей развивается медленнее, чем ожидалось. Впрочем, движение на рынке цифровых систем для салонов открывает возможности для производителей памяти, поскольку автомобили продолжают превращаться в сервера на колесах.

Генеральный менеджер подразделения встроенных систем Micron Technology Крис Бакстер сказал, что хотя ожидания от рынка беспилотной езды снизились, существует множество возможностей для роста в сегменте ADAS. Он отметил, что Tesla уже отступила от своих заявлений о беспилотной езде и сосредоточилась на системах 2 и 3 уровней. «Мы увидим развитие этой области – адаптивный круиз-контроль, системы удержания полосы, автоматическое торможение и системы мониторинга водителей. В 2021 у рынка автомобильных технологий будут большие перспективы – но не в области беспилотной езды, а в области цифровизации салона»

В долгосрочной перспективе компания Micron по-прежнему ожидает, что беспилотные транспортные средства останутся приоритетом для предприятий из областей, способных покрыть соответствующие расходы (например, робо-такси и грузоперевозки). Ожидается, что объемы автомобильных данных будут продолжать расти. Бакстер добавил, что «также мы увидим сдвиг в сторону централизации автомобильных вычислений».

Стоит отметить, что большие объемы вычислений будут производиться и вне информационно-развлекательных систем. Все дело в том, что транспортные средства (беспилотные и не только) развиваются и взаимодействуют с различными сервисами (которые, в том числе, обеспечивают работу функций беспилотной езды). Так, например, компания Aceinna произоводит решения с датчиками для различных отраслей (включая автомобильную и аэрокосмическую), и хотя компания не работает на компьютерном рынке непосредственно, ее технологии полагаются на них.

«Мы не занимаемся вычислительными устройствами или технологиями, связанными с повышением производительности», – сказал генеральный директор компании Ян Чжао. Он также отметил, что его компания «сосредоточена на датчиках». Впрочем, некоторым датчикам (в том числе устройствам компьютерного зрения) требуется высокая вычислительная мощность для обработки данных, которые используются для навигации и работы систем беспилотной езды. По словам Чжао, автомобиль будущего, как и любой робот, должен быть достаточно умным, чтобы самостоятельно перемещаться, а также должен быть оснащен множеством датчиков, использовать современные алгоритмы и обладать высокой вычислительной мощностью.

По словам Чжао, значительная часть вычислений в транспортных средствах ориентирована на работу с внешними системами – GPS-спутниками и системами инерциальной навигации. «Существует объединенный алгоритм, который ускоряет работу всей системы. С его помощью можно достичь абсолютной точности». Впрочем, существует вероятность того, что ваш автомобиль отключится от внешних систем навигации из-за плохой погоды или других причин. «Ваш лидар может ослепнуть и сломаться, но с инерциальной навигацией такого не произойдет. На нее внешняя среда не повлияет».

Чжао считает, что этим системам для автономной работы потребуется собственные вычислительные мощности и память, а также они должны быть отделены от прочих модулей. «Система управления автомобилем должна быть полностью замкнута и изолирована. Ни у каких узлов не должно быть доступа к ней».

Сегментация автомобильных систем означает, что потребности в памяти будут отличаться и зависеть от архитектур, используемых на прочих рынках (например, мобильных устройств или интернета вещей). Western Digital работает на всех этих рынках – об этом нам сообщил Хьюберт Верховен, старший вице-президент подразделения автомобильной, мобильной и развивающейся промышленности этой компании. «В истории можно увидеть множество примеров таких пересечений». Многие разработчики переходят к разработке более унифицированных и изолированных систем для автомобилей с собственными модулями памяти (например, отдельной флеш-памяти для информационно-развлекательных систем). «Многие стремятся к созданию кластеров с хранилищами для потребительских данных».

Верховен считает, что информационно-развлекательные системы с модулями навигации нуждаются в архитектуре, объединяющей вычислительные ресурсы и память. Такая архитектура позволит повышать емкость флеш-памяти и обеспечит поддержку различных интерфейсов (таких как eMMC и UFS). Свидетельством того, что автомобили становятся серверами на колесах является не только факт использование SSD-накопителей в информационно-развлекательных системах. Верховен отметил, что на рынке перевозок уже есть спрос на NVMe, поскольку у транспортных средств таких компаний огромные требования к логированию. «В таких автопарках есть автомобили, которые можно назвать центрами обработки данных на колесах».

Несмотря на то, что некоторые функции беспилотных транспортных средств связаны с системами реального времени, Верховен отметил, что некоторые сценарии использования допускают накапливание терабайтов данных в течении нескольких дней (например, для управления автопарком). «Многие наши клиенты предпочитают просто в какой-то момент вынимать диски, подключать их к своим серверам и делать полную выгрузку». По его словам, в таких сценариях важен форм фактор, допускающий извлечение накопителей и легкость их обслуживания. «Клиентам нравится возможность работы с высокопроизводительными системами, а если с диском что-то пойдет не так – его можно просто заменить».

Также Верховен отметил, что зачастую в автомобильной индустрии используют технологии, которые считаются базовыми в промышленных, мобильных и серверных сценариях. В некоторых сценариях NVMe-накопители предпочтительны ввиду требований к передаче больших объемов данных с низкими задержками (именно такие требования у центров обработки данных). Несмотря на то, что в снижении количества отдельных хранилищ данных в автомобиле есть смысл, остается необходимость сегментации – иначе мы можем разместить функции для ADAS на том же носителе, на которым записаны развлечения для детей, отметил Верховен. Такая архитектура также обеспечивает баланс между стоимостью, эффективностью, безопасностью и надежностью благодаря тому, что определенные подсистемы могут получать данные из общего пула.

Также требования к объемам памяти и характеристикам хранилища будут диктоваться уровнем автономности транспортного средства. Ожидается, что автомобилям 4 и 5 уровней к 2027 потребуются эксабайты памяти. «Впрочем, основная часть этого объема памяти нужна информационно-развлекательным системам и ADAS, а они относятся ко 2 и 3 уровням». Тем не менее, Western Digital связывает перспективы своего бизнеса с тем, как OEM-производители будут реализовывать продвинутые функции 4 и 5 уровней – именно эти реализации будут определять развитие систем хранения данных.

Впрочем, даже в автомобили 2 и 3 уровня встроено множество количество подсистем, генерирующих данные, которые затем где-либо отображаются. Эти системы являются частями более крупных кластеров и сейчас встречаются даже в недорогих автомобилях с функциями ADAS, отметил Верховен. Даже если в автомобиле нет системы автоматизации езды, в нем могут использоваться и обрабатываться терабайты данных. «Мы можем увидеть, что OEM-производители встраивают в транспортные средства все больше крупных дисплеев», – отметил Верховен. По мере того, как продвинутые функции начинают становиться стандартными в недорогих автомобилях, требования к хранилищам данных и их скорости будут расти, а это значит, что скоро нам потребуется полтерабайта.

По словам Бакстера из Micron, внедрение функций автоматизации езды и цифровые системы в салоне приведут к переходу от архитектуры с единым блоком управления к архитектуре, в которой используются отдельные блоки, управляющие своими модулями. Автомобильные инженеры будут все чаще образаться к многочиповым устройствам, объединяющим память и хранилище, причем в некоторых приложениях GDDR6 будет вытеснять DRAM с низким энергопотреблением.

Бакстер считает, что в индустрии памяти грядут перемены, связанные с автомобильным рынком и его требованиями. Нужны изменения в устройстве и структуре памяти, чтобы решения индустрии соответствовали рыночным условиям и требованиям автомобильной промышленности. В то же самое время, устоявшиеся технологии (такие как NOR flash) по-прежнему важны для работы функций быстрой загрузки – именно они позволяют водителям не ждать запуска бортовых систем после поворота ключа зажигания.

Питание — это большая проблема, потому что центр обработки данных на колесах может обсчитывать более 600 TOPS – а для этого может потребоваться до 1000 вТ мощности. Дело не только в процессорах, но и в памяти. Потребление энергии особенно важно для электромобилей и создает проблемы для инженеров – им нужно решать задачи, связанные с температурным режимом.

Подход Micron заключается в поиске компромиссов между мощностью и производительностью за счет использования энергосберегающей памяти с низким энергопотреблением – такой как LPDDR4X. В то же время, более продвинутые режимы обработки данных обеспечивают повышают энергоэффективность – эта характеристика невероятно важна для беспилотных автомобилей, в которых используются энергоемкие высокопроизводительные приложения с ИИ.

Сложность вычислений также является проблемой, и ее недооценка является причиной задержки выпуска транспортных средств 4 и 5 уровня, сказал Роберт Билби, старший директор Micron по архитектуре автомобильных систем. «Все еще не вполне ясно какой уровень производительности необходим для реализации систем беспилотной езды».

Согласно сценарию быстрого внедрения Yole Development, спрос на автомобильные флеш-накопители растет, и ожидается, что после 2022 года вырастет спрос на автомобильные устройства NAND-памяти для транспортных средств 2 и 3 уровней

Как и Western Digital, компания Micron ориентируется на кластерный подход, который подразумевает отделение критически важных данных от развлекательного контента и использование общих пулов данных для повышения эффективности (примером такого пула может служить раздел, в котором хранятся все карты, одновременно используемые в разных приложениях). Билби считает, что такой подход имитирует серверную архитектуру. «Именно здесь возникает концепция виртуализации, которая позволяет обеспечивать разным приложениям доступ к общему пулу данных».

Также он отметил, что все больше внимания уделяется вопросам безопасности. «Для индустрии очень важно, чтобы память, используемая в автомобилях, была сертифицирована для соответствующих сценариев использования». Речь идет о широком спектре устройств памяти – от DRAM для ADAS до GDDR6 для мультимедийных экранов в салоне. «В целом, многие переходят на NVMe и SSD».

Многие инженеры отказываются от старого подхода с постепенным добавлением функционала и расширением характеристик. Многие стремятся работать над архитектурой в целом. «На замену использованию нескольких eMMC или UFS устройств приходит тенденция с более консолидированным и централизованным подходом к хранению данных». Билби считает, что все устройства, используемые в автомобилях, должны быть сертифицированы соответствующим образом. «Впрочем, добиться этого будет непросто, Думаю, что технологиям нужно созреть и стать доступными для этих приложений».

Том Кафлин, президент Coughlin Associates, сказал, что автопроизводители только начинают переходить на твердотельные накопители для хранения контента, поскольку цены на них продолжают снижаться. Ввиду того, что для создания сервера на колесах нужно много памяти, будут рассматриваться и новые технологии, но они должны справляться с экстремальными условиями автомобильных сценариев использований. Кафлин отметил, что MRAM-память выдерживает высокие температуры и потенциально может заменять флеш-память NOR в некоторых приложениях.

Кафлин считает, что при выборе устройств памяти для автомобилей необходимо учитывать множество компромиссов и находить баланс между емкостью, выносливостью и долговечностью. Также устройства памяти должны быть способны работать с различными технологиями, которые внедряются в современные автомобили. Среди таких технологий можно отметить протокол TCP и Ethernet-подключение – они обеспечивают работу сетевого функционала серверов на колесах. Именно эти технологии позволяют передавать трафик во внешние среды, где в дело вступают инструменты обработки данных и ИИ.

Билби считает, что скорость вычислений и производительность устройств памяти должны соответствовать скоростям 5G – считается, что скорость этих сетей станет стандартом для сетевых автомобильных систем реального времени. «Существует необходимость собирать данные о миллионах и миллиардах километров пробега. Эти данные позволят создавать и обучать модели, которые будут работать в сложных средах и условиях». Обучение таких моделей опирается на высокопроизводительные центры обработки данных, остро нуждающиеся в быстрой памяти. Билби считает, что функции сетевого взаимодействия станут ключевым компонентов систем беспилотной езды – они позволят в реальном времени получать данные о трафике, а также позволят дообучать алгоритмы.

В более долгосрочной перспективе 5G также повлияет на развитие сотовой V2X-связи – она позволит автомобилям взаимодействовать не только с инфраструктурой, но и друг с другом. Таким образом, автомобили на дорогах станут похожи на кластер серверов, работающих вместе – и им может не требоваться централизованное облако. «Эти технологии позволят предсказывать состояние окружающей среды и понимать манеру езды автомобиля через 5 или 10 машин».

• Первая в России серийная система управления двухтопливным двигателем с функциональным разделением контроллеров
• В современном автомобиле строк кода больше чем…
• Бесплатные онлайн-курсы по Automotive, Aerospace, робототехнике и инженерии (50+)
• McKinsey: переосмысляем софт и архитектуру электроники в automotive