Die Arbeits- und Datenspeicherkapazitäten von Automobilsystemen nehmen rasant zu, angetrieben von unzähligen Infotainment-Systemen und den Fortschritten auf dem Weg hin zu vollständiger Autonomie. Allein der Energieverbrauch ist Grund genug, alle Möglichkeiten zur Optimierung und Konsolidierung zu nutzen. Man muss jedoch auch konsequent darauf achten, missionskritische Operationen zu priorisieren.
Überlegungen zu Arbeits- und Datenspeichern betreffen auch die vielen elektronischen Steuersysteme (ECUs) in Fahrzeugen, da Automobilsysteme immer mehr von anderen Computing-Architekturen inspiriert werden, etwa von Smartphones, dem Internet der Dinge (IoT) und Rechenzentren. Alle diese Ressourcen können Anregungen dazu geben, wie bestehende Technologien weiter integriert werden können, um die Anforderungen an Automobilanwendungen zu erfüllen sowie gleichzeitig den Energieverbrauch zu senken und äußerst zuverlässig zu bleiben.
Es gilt, den schwierigen Ausgleich zwischen segmentierten Automobilsystemen zum Schutz der Fahrsysteme gegen Störungen und dem zunehmenden Bedarf an Architekturen zu finden, die Computing und Speicher zu einem „digitalen Cockpit“ für Fahrer zusammenbringen.
Datengesteuerte Armaturenbretter erfordern mehr Arbeits- und Datenspeicher
Die Zeiten, in denen das Highlight jedes Armaturenbretts ein Kassettenrekorder war, sind längst vorbei – und auch Bluetooth- und USB-Konnektivität sind dort nichts Neues mehr. Die Entwicklung bei Infotainment-Systemen schreitet rasant voran zu immer immersiveren Umgebungen für Fahrer und Passagiere, was natürlich zunehmende Anforderungen an die Elektronik, darunter Arbeits- und Datenspeicher, stellt.
Ein zentraler Bestandteil moderner Infotainment-Systeme in Fahrzeugen ist das Advanced Driver Assistance System (ADAS) und auch Rückfahrkameras werden immer mehr zum Standard. Selbst ohne viel Autonomie stecken Autos heute voller Computertechnologie zur Unterstützung von Navigation und Sicherheit, aber auch für die Unterhaltung.
Moderne Infotainment-Systeme finden sich überall im Fahrzeug und gehören zu einer von vier Kategorien:
- Digital Instrument Cluster: Zusätzlich zu den üblichen Armaturenbrettinstrumenten wie etwa dem Tachometer sind die Kombiinstrumente von heute vollständig digital und nutzen hochauflösende Bildschirme, die der Fahrer problemlos individuell anpassen kann, etwa solche zur Fahrzeugtelemetrie oder Karten auf sekundären Bildschirmen.
- Head Unit: Hier finden Passagiere auf den Vordersitzen alle modernen Funktionen der Fahrzeuge von heute – anstatt eines Kassettenrekorders wird das Radio von verbundenen Anwendungen wie Apple CarPlay oder Android Auto, integriertem GPS und Satellitenradioservices wie Sirius XM ergänzt. Alle diese Funktionen sollen beim Starten des Fahrzeugs sofort verfügbar sein.
- Heads-Up Display (HUD): Ein HUD, ein in Fahrzeugen noch relativ neues Feature, zeigt nur dem Fahrer Informationen auf transparentem Glas über dem Lenkrad an. Wie bei dem gewohnten Kombiinstrument gehören zu den auf dem HUD angezeigten Informationen Geschwindigkeit, Telemetrie und Karten.
- Rear-Seat Entertainment (RSE) Unit: Längst müssen sich Passagiere auf dem Rücksitz nicht mehr mit eigenen Geräten Entspannung und Zeitvertreib auf langen Fahrten verschaffen. Anstatt einen Walkman oder ein Buch mitbringen zu müssen, stehen ihnen Entertainment-Optionen wie dedizierte Media-Player-Spiegelung von Android Auto oder Apple CarPlay zur Verfügung.
Allein diese vielfältigen Infotainment-Medien vorn in einem Fahrzeug erfordern eine hohe Computing-Leistung, einschließlich Arbeits- und Datenspeicher, und ein vereinheitlichtes digitales Cockpit profitiert außerordentlich von einer konsolidierten Architektur.
Die Automobilbranche hat viele Arbeits- und Datenspeicheroptionen
Alle diese digitalen Systeme werden mit überall im Fahrzeug erfassten Daten versorgt – bis hin zu den elektrischen Schlössern und Fenstern, damit der Fahrer immer weiß, was geöffnet und was geschlossen ist.
Früher hatte jede dieser Funktionen ihre eigene ECU, aber auch diese werden konsolidiert, so dass ECUs heute nicht mehr nur eine einzige feste Funktion haben, sondern durch Software definiert werden. Selbst teilweise Fahrzeugautonomie sorgt für immer mehr Daten und Funktionen, die von ECUs, Arbeits- und Datenspeichern unterstützt werden müssen, etwa ADAS-Funktionen wie Adaptive Cruise Control, ein Spurhalteassistent oder automatisches Bremsen – alle diese Funktionen nutzen Sensordaten von Kameras, Radar und LiDAR. Die gesamte Konnektivität zur Unterstützung digitaler Cockpits, ob über Wi-Fi oder 5G, erleichtert auch die Aktualisierung des Fahrzeugs mit neuer Software und Patches, was den Arbeits- und Datenspeicherbedarf noch weiter erhöht.
Die von der Automobilbranche heute verwendeten Arbeits- und Datenspeichergeräte werden bevorzugt, weil sie zuverlässig und wohlbekannt sind – Sicherheit ist in Fahrzeugen so wichtig wie Langlebigkeit. Von diesen Geräten wird erwartet, dass sie so lange halten wie das Fahrzeug selbst, ohne ersetzt werden zu müssen. Ihre Kapazität und Leistung kann je nach Anwendung sehr unterschiedlich sein.
- NOR Flash: Als nichtflüchtige Speicherlösung ist NOR Flash ideal für die Speicherung von Anwendungscode und für Execute-in-place-(XIP-)Aufgaben geeignet, die einen externen DRAM umgehen, da ein Host-Prozessor den Code direkt vom NOR Flash-Gerät aus ausführen kann. Diese Geräte können auch sehr schnell gestartet werden, wodurch sie ideal für das Kombiinstrument und ADAS geeignet sind, weil das Bild der Rückfahrkamera in dem Moment zur Verfügung steht, in dem das Fahrzeug gestartet wird.
- Ferroelectric RAM (FRAM): FRAM wird immer noch häufig als „neue“ Speicherlösung bezeichnet; es handelt sich ebenfalls um nichtflüchtigen Speicher mit dem Potenzial, NOR Flash für manche Anwendungen zu ersetzen. Diese Lösung ist am besten für die Datenprotokollierung in den meisten Subsystemen geeignet, etwa in Armaturenbrettinstrumenten, beim Batteriemanagement, der Stabilitätskontrolle, für den Antriebsstrang, Motorsteuerungen und intelligente Airbags.
- Magnetoresistive Random-Access Memory (MRAM): MRAM ist eine weitere junge Technologie, die als nichtflüchtiger Speicher und durch ihre große Zuverlässigkeit bei hohen Temperaturen sehr gut für die Automobilbranche geeignet ist. Dazu ist sie schnell und somit eine gute Wahl für Sensoren, deren Daten in Echtzeit überwacht und geschrieben werden.
- Low-Power DRAM (LPDDR): Diese Speichertechnologie ist bei Smartphones bereits sehr verbreitet. Sie kombiniert Leistung mit geringem Energieverbrauch und erfüllt die Anforderungen der Automobilbranche an zuverlässige ADAS-Technologien, die funktionale und sicherheitsgeprüfte DRAM-Systeme verwenden, darunter automatische Notbremssysteme, Spurhaltewarnungen, Adaptive Cruise Control oder Systeme zum Erkennen toter Winkel. Der DRAM-Hersteller Micron Technology bietet LPDDR5 mit Hardware-Valuierung, um das strengste Automotive Safety Integrity Level (ASIL), ASIL D, zu erfüllen, ein nach ISO 26262 definiertes Klassifikationsschema.
Alle diese Speichersysteme werden von unterschiedlichen Speichertypen unterstützt – im Grunde von Varianten des nichtflüchtigen NAND-Flash-Speichers.
Um unteren Ende gibt es einige Einsatzbereiche für mobile Flash-Speicherformate – CompactFlash- und Secure Digital-Karten sind flexible Optionen für digitale Karten und Dash-Kameras. Die Schnittstellennorm Embedded MultiMediaCard (eMMC) wird zwar nicht mehr aktualisiert, kommt aber nach wie vor in vielen Automobilanwendungen zum Einsatz, etwa bei Telematik, Infotainment und ADAS, da es sich um eine bewährte Technologie handelt, die die von Automobilherstellern gewünschte Langlebigkeit bietet. An ihre Stelle trat Universal Flash Storage (UFS), eine aktiv aktualisierte Schnittstelle. Dennoch kann eMMC im eingebetteten Bereich Anwendungen mit geringerer Kapazität mit geringerem Energieprofil am besten versorgen.
UFS und eMMC sind gleichermaßen gut für ADAS, IVI (In-Vehicle Infotainment), Telematik und autonome Fahrsysteme geeignet. Da jedoch die Kapazitätsanforderungen an Infotainment und missionskritische Anwendungen stetig zunehmen, wird SSD immer mehr zur besten Option – und damit auch neue Schnittstellen wie etwa NVMe (Non-Volatile Memory Express).
Bei konsolidierten Systemen haben Sicherheit und Zuverlässigkeit Priorität
Trotz aller Vielfalt besteht ein wachsender Bedarf an noch weiter konsolidierten Architekturen zur Reduzierung der Komplexität, da das Cockpit immer weiter digitalisiert und immer energiehungriger wird.
Aufgrund der Eigenschaften von Kraftfahrzeugen wird es immer einen gewisses Maß an unterschiedlichen Systemen mit verschiedenen Speicherarten und ECUs geben. Die größere Kapazität von SSDs bedeutet jedoch, dass es sinnvoll ist, die Datenspeicherung für mehrere Systeme an einem einzigen Ort zu konsolidieren. Zunehmende Autonomie und Digitalisierung im Cockpit bedeutet in Verbindung mit der stetig wachsenden Datenmenge, dass man sich von fragmentierten Architekturen mit verteilten ECUs verabschieden und hin zu einzelnen Domain-Controllern bewegen muss.
Dieser Trend zum Clustering ist mit mehr vereinheitlichtem Speicher für missionskritische Daten und Entertainment-Inhalte verbunden, die allerdings segmentiert und priorisiert sind. Gemeinsame Datenpools werden dabei für größere Effizienz verwendet – alle Karten werden an einem Ort gespeichert, aber für unterschiedliche Anwendungen genutzt, ähnlich wie bei einer Serverarchitektur mit Virtualisierung. Zwei verschiedene Anwendungen können auf denselben Speicher zugreifen, wobei missionskritische Daten für Verfügbarkeit und Redundanz priorisiert werden. Dabei ist zu berücksichtigen, dass es mit Risiken verbunden ist, missionskritische ADAS-Daten auf denselben Medien zu speichern wie Entertainment-Inhalte für die Kinder.
Anstatt immer mehr Funktionen und Kapazitäten Stück für Stück hinzuzufügen, gehen Entwickler zunehmend zu holistischeren Ansätzen für die Architektur über, wozu ein konsolidiertes und zentralisiertes Speicherkonzept anstelle diskreter Geräte gehört. Zwar gibt es gute Anwendungsbereiche für neue Speichertechnologien, bewährte Technologien wie eMMC, UFS und Flash SSDs, zusammen mit NOR Flash, LPDDR und GDDR, bleiben jedoch die bevorzugten Kandidaten für konsolidierte Automobilsysteme, bei denen es auf den sinnvollen Ausgleich zwischen Kosten, Effizienz, Sicherheit und Zuverlässigkeit ankommt.
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