TLC, SLC, HE-SLC und PCIe-Switch vereint Weltweit erste Quad-Port-SSD für zentralisierte Fahrzeugarchitekturen

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Micron hat einen interessanten Speicherbaustein für die Automobilindustrie entwickelt: Über vier Schnittstellen und integrierten PCIe-Switch lässt sich die 4150AT-SSD mit bis zu vier SoCs verbinden und kann bis zu 64 virtuellen Maschinen Speicherbereiche isoliert oder gemeinsam bereitstellen. Im Gespräch erläutert Micron-VP Michael Basca Details.

Die Automobilindustrie ist eines der am schnellsten wachsenden Segmente in der Halbleiterindustrie. Im Jahr 2025 werden voraussichtlich über 97 Millionen Autos verkauft, die durchschnittlich mit jeweils rund 90 GByte RAM + NAND ausgestattet sind, schätzen Branchenexperten. Hinzu kommt: Die IT-Infrastruktur der Fahrzeuge ändert sich rasant. Wo bisher viele verteilte Rechenressourcen spezialisierte Aufgaben übernommen haben, übernimmt immer häufiger ein leistungsstarker Zentralcomputer die Datenverarbeitung und Kommunikation für das gesamte Fahrzeug. Die Vorteile liegen auf der Hand: Weniger Einzelbaugruppen, vereinfachte Verkabelung, weniger zwar verbaute, aber nicht genutzte Ressourcen.

US-Speicherhersteller Micron stellt für diese Entwicklung seit Jahren die passenden Bausteine und -konzepte bereit. Neuster Coup ist der nun offiziell auf der Embedded World in Nürnberg vorgestellte Speicherchip 4150AT – nach eigenen Angaben die weltweit erste Quad-Port-SSD. Dieses ASIL-B-konforme Produkt trägt dem erwähnten Trend der zunehmenden Zentralisierung von Rechenressourcen bei gleichzeitig steigendem Speicherbedarf in modernen Fahrzeugen Rechnung.

Ein Treiber ist der verstärkte Einsatz von Künstlicher Intelligenz und Assistenzsystemen zur Fahrerunterstützung, sagt Michael Basca, Micron Vice President of Embedded Products and Systems im Gespräch mit ELEKTRONIKPRAXIS: „Da Speicher mit den umfassenden Erfahrungen in KI-Fahrzeug und fortschrittlichen Algorithmen für ein höheres Maß an autonomer Sicherheit mithalten müssen, erfordert die aktuelle Ära ein neues Paradigma für den automobilen Speicher.“ Daher habe man sich mit den Innovatoren moderner Automobilarchitekturen zusammengesetzt und einen Speicherbaustein entwickelt, der „der Industrie die Flexibilität und die Leistung bietet, um die kommenden transformativen Technologien einzuführen“.

Bis zu vier Prozessoren können flexibel auf einen Speicherchip zugreifen

Die Architektur des Memory-Chips ist tatsächlich bislang einzigartig: Sie vereint TLC-, SLC- und High-Endurance-(HE-)SLC-Speicherbereiche auf einem Chip, die sich über einen integrierten PCIe-4-Switch flexibel ansteuern lassen. Die integrierte SR-IOV-Technologie (Single-Root Input/Output Virtualization) kann den Speicher flexibel in voneinander isolierte Bereiche aufteilen, auf die bis zu vier externe System-On-Chips beziehungsweise bis zu 64 darauf laufende virtuelle Maschinen (VMs) zugreifen können.

Bei Bedarf können mehrere autorisierte SoCs/VMs auf einen gemeinsamen Datenbestand zugreifen – etwa Kartenmaterial, das so nur einmal vorgehalten werden muss. SR-IOV leitet die Ein-/Aus gaben ohne Umweg über einen Software-Hypervisor direkt an die SSD-Hardware. Micron verspricht Leistungsdaten wie durchschnittliche über 600.000 I/O-Vorgänge pro Sekunde (IOPS) und über 100.000 IOPS beim Übertragen von 4-Kilobyte-Blöcken bei gleichzeitig hoher Zuverlässigkeit. „Mit diesen Leistungswerten bewältigt die Quad-Port-SSD Datenströme von bis zu vier Systems-on-a-Chip gleichzeitig“, sagt Basca. Dies mache den Baustein „zu einer idealen Lösung für Fahrzeuge, die aufgrund verschiedener Systeme zunehmend Multitasking betreiben müssen“ – von fortschrittlichen Fahrerassistenzsystemen (ADAS) über Infotainment im Fahrzeug (IVI) bis hin zum KI-gestütztem Fahrerlebnis.

„SSD-Design von Rechenzentren inspiriert“

Nach Aussagen des Micron-Managers hat sich der Speicherhersteller beim Entwickeln der 4150AT-SSD „vom SSD-Design für Rechenzentren inspirieren lassen“. Allerdings seien die Funktionen des Chips „auf die einzigartigen Herausforderungen von Automobilarchitekturen der nächsten Generation“ zugeschnitten. Dazu zählt er die bereits beschriebene Multi-Port-Fähigkeit – branchenweit sei sie die erste SSD mit vier flexibel nutzbaren Schnittstellen. Für die bis zu vier angeschlossenen SoCs könne die 4150AT als einheitliche Single Source of Truth fungieren.

Automobilhersteller könnten beispielsweise einen Port an ein ADAS-System und einen anderen an ein IVI-System anschließen, sodass beide private Daten speichern und gleichzeitig auf einen gemeinsamen Kartendatensatz zugreifen können. „Das reduziert die Kosten pro Gigabyte Speicherplatz, steigert die Leistung und beseitigt Engpässe, da beide – bei entsprechender Autorisierung – gleichzeitig auf gemeinsame Daten zugreifen können. Redundanten Datenkopien sind nicht mehr erforderlich“, weiß Basca.

Die vier Ports der 4150 reduzieren zudem den Bedarf an zusätzlichen Speichereinheiten. „Da vorhandene Lösungen in der Regel nur mit einem SoC verbunden werden können, werden sie in der Regel lokal in jedem Fahrzeugsystem platziert, was zu ungenutzten Kapazitäten führt“, erklärt Basca. Alternativ dazu müssen OEMs bisher einen teuren PCIe-Switch für Fahrzeuge einsetzen, um ein Laufwerk mit mehreren SoCs verbinden zu können. Die Zentralisierung des Speichers für mehrere Systeme verbessere die Effizienz erheblich und rationalisiere gleichzeitig die Architektur.

Virtualisierung: Isolierte Speicherbereiche für bis zu 64 VMs

Stolz ist man bei Micron auf die SR-IOV-Fähigkeit der 4150AT: Die „Single-Root Input/Output Virtualization“ ermöglicht lauf Basca den Zugriff von bis zu 64 virtuellen Maschinen (VMs) und verbessere die Performance umfangreicher Multi-Host-Workloads. „Die einzigartige Virtualisierung bietet jedem SoC und seinen virtuellen Maschinen eine isolierte Speicherregion für die lokale Verarbeitung, während sie sich zur Effizienzmaximierung einen Speicherpool teilen“, sagt Basca. Diese Unterstützung von Multi-Host-Workloads sei von entscheidender Bedeutung, da die heutigen Automobil-SoCs zunehmend VMs für funktionsübergreifendes Multitasking nutzen – vom autonomen Fahren bis zur Kommunikation zwischen Fahrzeugen.

Die SR-IOV-Fähigkeit kommt ohne Paravirtualisierung aus, bei der die Ein-/Ausgaben (E/As) durch einen Software-Hypervisor an die SSD geleitet werden, was Verzögerungen (Latenzen) nach sich zieht. Stattdessen ist 4150AT in der Lage die E/As der VMs direkt an die SSD-Hardware zu leiten. „Durch die Umgehung der Softwareschicht verbessert das Laufwerk das zufällige Lesen um das bis zu Dreifache“, sagt Basca. Als Vergleich hat Micron ein Laufwerk ohne SR-IOV herangezogen, das bis zu zwei VMs unterstützt.

Aufgrund der einzigartigen Virtualisierung soll das 4150AT-Laufwerk auch eine erhöhte Sicherheit für Automobilhersteller bereitstellen. Auf der Grundlage der SR-IOV-Virtualisierung werden die Daten jeder VM wie beschrieben von den anderen in der Hardware isoliert. „Dies minimiert Daten- oder Codelecks und vermeidet gleichzeitig, dass mehrere VMs durch Hackerangriffe auf eine einzelne VM kompromittiert werden – so bleiben Datenschutz und Sicherheit gewahrt“, erläutert Basca.

Anpassbare Belastbarkeitsmodi: TLC, SLC und HE-SLC

Die Micron 4150AT SSD wird standardmäßig mit TLC-NAND-Zellen (Triple-Level-Cell) hergestellt. Laut Hersteller lässt sie sich aber auch so konfigurieren, dass sie SLC und HE-SLC Data Endurance Groups (Single-Level-Cell und High-Endurance Single-Level-Cell) unterstützt. Vorteil: Diese Zellen sind wesentlich robuster, halten etwa 20- bzw. 50-fache Schreibleistung von TLC und können so spezielle Datenanforderungen erfüllen.

Der HE-SLC-Speicherbereich kann beispielsweise für Anwendungen mit hohem Schreibaufkommen eingesetzt werden, etwa das kontinuierliche Aufzeichnen von Blackbox-Daten, bei der Fahrzeuge ständig kritische Daten von Sensoren, Kameras und LiDAR schreiben müssen. „Wenn Daten alle paar Minuten programmiert und gelöscht werden müssen, bietet der HE-SLC-Modus die erforderliche Lebensdauer und macht teurere flüchtige Speicher wie DRAM überflüssig“, sagt Basca.

Für die strengen Anforderungen der Automobilindustrie entwickelt

Da Micron die Quad-Port-SSD für den Automotive-Markt entwickelt hat, erfüllt das Produkt die Sicherheitsanforderungen von Automotive Safety Integrity Level B (ASIL-B). Sie ist in einem Ball-Grid-Array-(BGA-)Gehäuse erhältlich und lässt sich so direkt verlöten. Diese Konstruktion sichert eine hohe Kontaktsicherheit auch in rauen Fahrzeugumgebungen. „Wie alle Lösungen im Micron-Portfolio für die Automobilindustrie ist das Laufwerk für erweiterte Temperaturbereiche ausgelegt“, sagt Micron-Manager Basca. Aktuell liefert sein Unternehmen das Produkt mit einer Gesamtspeicherkapazität bis zu 1,8 TByte an Automobilkunden. Die Volumenproduktion ist für 2025 vorgesehen.  (me)

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