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Der zunehmende Einsatz von Computersystemen in Fahrzeugen überfordert zunehmend bisherige Schnittstellen wie eMMC. Neue Leistungsstandards für Flash-basierte Speicher sind gefragt.
Das Auto wird immer mehr zur mobilen Unterhaltungs- und Produktivitätszone und mit Einführung vollautonomer Fahrzeuge langfristig sogar zu einer Art Roboter. Eingebaute Computersysteme sind für Infotainment, Sicherheit, Systemsteuerung sowie die Benutzeroberfläche und Kommunikation zwischen Fahrzeug und Außenwelt zuständig – und ihre Bedeutung wächst.
Viele dieser Systeme werden zunehmend auf schnellen Zugriff mit hohem Durchsatz auf Datenspeicher mit beträchtlicher Kapazität angewiesen sein. Die Nachfrage nach mehr Kapazität und höheren Geschwindigkeiten hat bereits dazu geführt, dass neue Generationen von Datenspeichertechnologien in Fahrzeugen zum Einsatz kommen.
Nach den klassischen Festplatten mit PATA- oder SATA-Schnittstelle, die man von Desktop-Rechnern kennt, gab es Solid-State-Speicher, zuerst als SD-Karte, dann als eMMC-Speicher. Inzwischen hat aber im Automotive-Bereich der nächste Wechsel begonnen, nämlich von eMMC (jetzt in Version .1 der Spezifikation) auf Universal Flash Storage (UFS). Dieser Schritt wird Automobilherstellern höhere Lese-/Schreibgeschwindigkeiten (drei- bis viermal schneller als eMMC 5.1) und eine bis zu 2,5-mal höhere zufällige IOPS-Leistung (Input/Output Operations Per Second) ermöglichen.
Die UFS-Technologie passt besonders gut zu den Autodesigns der Zukunft. Dieser Betrag befasst sich mit wichtigen Leistungsparametern und Produktspezifikationen, aber auch mit Lieferantenaspekten, die bei der Bewertung von UFS-Speichermodulen für Automobilanwendungen berücksichtigt werden müssen.
Seit etwa 2010 ist der Automobilsektor ein bedeutender Verbraucher von eMMC-Speichergeräten. Nachdem im ersten Jahrzehnt des 21.
Gründe waren die lange Lebensdauer und höhere Zuverlässigkeit von eMMC-Speichern im Vergleich zu PATA- oder SATA-Festplatten, deren bewegliche mechanische Teile sehr anfällig waren, wenn sie den rauen Einsatzbedingungen eines Kraftfahrzeugs ausgesetzt waren.
Entwickler elektronischer Systeme für Automobile stoßen bereits an die Leistungsgrenzen der eMMC-Schnittstelle. Darüber hinaus stellen neue IVI-Systeme (In-Vehicle Infotainment) mit Unterstützung für immer mehr autonome Fahrfunktionen noch höhere Anforderungen. Diese Systeme verfügen über größere und ausgefeiltere grafische Benutzeroberflächen und sollen beispielsweise auch Videos abspielen können. Die Architektur dieser IVI-Systeme wird derzeit in vielen Labors neu überdacht.
Bei früheren, einfacheren IVI-Systemen konnte eine Multiprozessorarchitektur verwendet werden, bei der alle Elemente, also das Kombiinstrument, das zentrale Informationsdisplay (CID) und das Mediasystem sowie das Navigationssystem, jeweils von eigenen, diskreten Prozessorchips gesteuert werden (Abb. 1).
Inzwischen kommen jedoch vermehrt „digitale Cockpits“ auf Basis hochintegrierter Architekturen zum Einsatz. Ein einziger Prozessor steuert alle Anzeigefunktionen einschließlich Kombiinstrument, Mediasystem, Navigation und Konnektivität. In einer solchen Architektur müssen die Daten mit diesem Prozessor deutlich schneller als bisher ausgetauscht werden.
Dafür ist eine eMMC-Schnittstelle nicht schnell genug. Im Vergleich dazu bietet eine zweikanalige UFS-Schnittstelle einen deutlich höheren maximalen Durchsatz als eine eMMC-Schnittstelle der fünften Generation (Abb. 2). Dieser theoretisch höhere Datendurchsatz spiegelt sich in den Leistungsparametern kommerziell erhältlicher Speicherprodukte wider.
Abbildung 3 zeigt einen Leistungsvergleich zwischen eMMC-basierten und UFS-Speicherprodukten. Der Automotive-Markt kann nun von der bewährten UFS-Schnittstellentechnologie und einem umfangreichen Angebot an UFS-NAND-Speicherprodukten profitieren, wobei sich UFS-Speicherprodukte für Automotive-Anwendungen und solche für Consumer-Produkte hinsichtlich Produkteigenschaften und Lieferkette deutlich unterscheiden .
Der von der UFS-Schnittstelle unterstützte höhere Datendurchsatz im Vergleich zu eMMC v5.0 oder v5.1 sorgt für eine mehr als dreimal höhere Leistung auf Produktebene. Die Tatsache, dass UFS-basierter Speicher gleichzeitigen Lese- und Schreibzugriff unterstützt, verbessert die Multitasking-Unterstützung und ermöglicht es Endbenutzern, ohne Verzögerung von einer Anwendung zur anderen zu wechseln.
Die sehr hohe sequentielle Lesegeschwindigkeit sorgt auch beim Streamen von HD-Videos für eine flüssige, ruckelfreie Wiedergabe und der maximale zufällige IOPS-Wert von 50.000 lässt auch besonders rechenintensive Anwendungen verzögerungsfrei auf Benutzereingaben reagieren.
Aus diesem Grund erwägen Hersteller, ihre Designplattformen von eMMC-basiertem Speicher auf UFS-Speicher zu migrieren. So können beispielsweise Anwender der Ferri eMMC-Serie von Silicon Motion im Automotive-Bereich auf die Ferri UFS-Serie umsteigen und von einem schnellen und unkomplizierten Design-Integrationsprozess profitieren.
Das Ferri-UFS-Produkt mit der Typenbezeichnung SM671 ist eine hochintegrierte Lösung, die einen funktionsreichen Flash-Controller nach der neuesten UFS-2.1-Spezifikation mit einem Standard-NAND-Flash-Speicher kombiniert. Das Produkt unterstützt die erweiterten Funktionen der neuesten UFS v2.1-Spezifikation, wie die HS-Gear3 x 2-Lane-Moduns und die Befehlswarteschlangenfunktion.
Darüber hinaus können die Ferri-UFS-Produkte per Firmware angepasst werden, um bestimmte vom jeweiligen OEM gewünschte Funktionen und Anwendungen anzubieten. Das Produkt SM671 besitzt ein 11,5 mm x 13 mm x 1,2 mm BGA-Gehäuse mit 153 Kontaktpunkten und ist mit Speicherkapazitäten von 16 GB bis 256 GB erhältlich. Es ist nach AEC-Q100 Grade 3 für Automotive-Anwendungen bis 85 °C qualifiziert (Grade-2-Qualifizierung seit dem zweiten Quartal 2019). Die Performance kann sich sehen lassen, denn die Datenübertragungsraten und die Initialisierungszeit reichen für die nächste Generation von IVI-Designs für den Automotive-Bereich mehr als aus.
Wie beschrieben bieten UFS-Speicherprodukte wie die Ferri-UFS-Serie durch den Einsatz neuester 3D-TLC-NAND-Flash-Speicher eine hohe Speicherdichte zu einem attraktiven Preis. Für den Automobilmarkt müssen jedoch Leistungs- und Kostenaspekte mit dem Anspruch an höchste Qualität und Zuverlässigkeit in Einklang gebracht werden. Dazu muss der Speicherhersteller strenge Qualitätsprozesse und -kriterien anwenden und proprietäre Zuverlässigkeits- und Datenintegritätsfunktionen implementieren.
Die Qualitätsprozesse müssen eine Gesamtfehlerquote der an den Kunden gelieferten Produktionskomponenten von weniger als 10 ppm aufweisen. Strenge Kriterien werden auch an die Controller-Spezifikationen und die in den Ferri-UFS-Produkten verwendeten NAND-Chips angelegt. Die Chipauswahl erfolgt ausschließlich aus Wafern mit hoher Produktionsausbeute, die mit ausgereiften (also nicht nur entwickelten) Produktionsverfahren hergestellt werden.
In dieser Phase sind in der Regel alle Mängel und Qualitätsprobleme gut charakterisiert und können daher leicht identifiziert werden. Der Produktionsprozess eines Ferri UFS-Produkts beginnt daher mit bekannt guten Werkzeugen. Darüber hinaus sind alle Stufen der Ferri-UFS-Lieferkette, von der Gießerei, die den Controller herstellt, über das Werk, in dem die Wafer sortiert werden, bis hin zur Validierung bei Silicon Motion selbst nach IATF 16949 zertifiziert.
Auch die Rückverfolgbarkeitsanforderungen der Automobilindustrie werden vollumfänglich eingehalten. Der Controller-Chip einer Ferri-UFS-Komponente beispielsweise enthält eine eindeutige Chipkennung, die in einem einmalig programmierbaren (OTP) Speicher gespeichert ist und kann daher bis zu seinem ursprünglichen Wafer-Los und seiner Wafer-Map zurückverfolgt werden.
Das Engagement von Silicon Motion für die Automobilqualität erstreckt sich bis zur Endmontage, die auf einer vollautomatischen Linie stattfindet. In Prüfkammern wird jeder Block in jeder Produktionseinheit bei einer vom Kunden vorgegebenen Temperatur auf Fehler überprüft (Abb. 4). Mit Hilfe dieses Screenings kann Silicon Motion alle Zellen identifizieren, bei denen die Gefahr eines vorzeitigen Ausfalls besteht, damit sie vor der Auslieferung an den Kunden vom NAND-Controller aussortiert werden können.
Alle Produktionseinheiten werden außerdem fortschrittlichen Temperatur- und Hoch- und Niederspannungstests unterzogen. Die Tatsache, dass Silicon Motion diese Prozesse und Kriterien routinemäßig auf alle Ferri-UFS-Produkte anwendet, die für Automobilkunden bestimmt sind, ist der Grund dafür, dass die gelieferten Produkte immer die Zielspezifikationen erfüllen. Im Automotive-Bereich sind Zuverlässigkeit und Langlebigkeit wichtige Kriterien für Systemdesigner.
Für die Nutzer von UFS-Speichermodulen erfordert dies eine vergleichende Bewertung von zwei Parametern: Ausdauer und Datenintegrität. Der Grund dafür liegt in den inhärenten Eigenschaften der hochdichten 3D-NAND-Flash-Technologie. Die nach hochentwickelten Verfahren hergestellten Zellen des 3D-TLC-NAND-Flash-Speichers der Ferri-UFS-Produkte mit Strukturabmessungen von 19 nm oder weniger unterliegen bei jedem Programmier-Lösch-Zyklus einer Abnutzungsgefahr, die kann zu einem langfristigen Datenverlust führen.
Wenn keine Fehlerkorrekturfunktionen implementiert sind, besteht auch die Gefahr von Lese- und Schreibfehlern. Silicon Motion geht das Problem der Ausdauer an, indem es den NAND-Controller des Unternehmens mit einer hochentwickelten globalen Wear-Leveling-Technologie ausstattet. Hinzu kommt eine ausgeklügelte Technologie zur Erweiterung der Vorratsdatenspeicherung, die unter anderem folgende Verfahren nutzt:
Diese und weitere langlebigkeitssteigernde Funktionen führen zu einem Endurance-Wert von 3.000 Programmier-/Löschzyklen, der sogar die von der Automobilindustrie üblicherweise für IVI-Speicheranwendungen vorgeschriebene Marke übertrifft. Die Datenintegrität wird durch die Verwendung einer Fehlerkorrekturtechnologie gewährleistet, die den üblicherweise in Consumer-NAND-Modulen verwendeten Verfahren überlegen ist. Silicon Motion implementiert auch eine Methode namens Enhanced Write Protection, die permanente, temporäre oder Power-on-Schutzoptionen bietet.
Besondere Vorkehrungen zum Schutz der Daten bei einem unerwarteten Stromausfall - ein im Automobilbereich nicht seltenes Phänomen - sorgen dafür, dass Daten, die bei Ausfall der Stromversorgung geschrieben werden, sicher gespeichert werden, bevor das Ferri-UFS-Modul abschaltet. Diese Funktionen werden durch einen 8 + 1 Fehlererkennungscode unterstützt, der auf den Ferri UFS SRAM-Speicher angewendet wird.
Zur Zuverlässigkeit der von Silicon Motion angebotenen Gesamtlösung gehören nicht zuletzt unsere eigenen Vorkehrungen für die Herstellung und den Versand der Produkte, um den strengen Just-in-Time-Spezifikationen der Hersteller gerecht zu werden. Diese Vereinbarungen beinhalten eine vollständige Produktionsredundanz, die durch Vorhalten von Reservelieferanten für jeden Teil des Produktionsprozesses sichergestellt wird – von den Lieferanten der NAND-Flash- und Controller-Wafer bis hin zu den Chipmontagefirmen für das Screening und die Modulmontage.
Für datenintensive Anwendungen im Auto wie IVI-Systeme wandelt sich die Datenspeichertechnologie vom bisher vorherrschenden eMMC-Speicher hin zu neuen UFS-Produkten mit hochdichtem 3D-TLC-NAND-Flash-Speicher. Mit den Komponenten der Ferri-UFS (SM671) Serie erfüllt Silicon Motion höchste Ansprüche an Qualität und Zuverlässigkeit. Gleichzeitig bieten die Speicher eine Performance, die für den effektiven Einsatz in den neuen Single-Prozessor-Architekturen digitaler Cockpits erforderlich ist.
Mit zusätzlichen Datenintegritätsfunktionen wie einer LDPC-ECC-Engine und einer robusten, redundanten Lieferkette ebnet die Ferri-Produktlinie den Weg für die Implementierung leistungsstarker UFS-Datenspeichertechnologie in IVI-Systemen und anderen rechenintensiven Anwendungen in den Autos von morgen . // MICH
* Lancelot Hu ... ist Produktmanager Hochzuverlässige SSD und eMMC für die Zukunft Automotive und IoT bei Silicon Motion.
UDinfo: Robuster Flash-Speicher für den industriellen Einsatz
3D-NAND-Speicher: Kioxia baut größte Flash-Fabrik
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