Digitale Datenschnittstelle UFS-Speicher für moderne IVI-Systeme in Autos

Autor / Redakteur: Lancelot Hu * / Michael Eckstein

Der zunehmende Einsatz von Computersystemen in Fahrzeugen überfordert bisherige Schnittstellen wie eMMC zunehmend. Neue Performance-Standards für Flash-basierte Speicher sind gefragt.

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(Bild: Silicon Motion)

Das Auto entwickelt sich immer mehr zu einer mobilen Unterhaltungs- und Produktivitätszone, und mit der Einführung vollautonomer Fahrzeuge wird es langfristig sogar zu einer Art Roboter werden. Eingebaute Computersysteme sind für Infotainment, Sicherheit, Systemsteuerung sowie die Benutzeroberfläche und Kommunikation zwischen den Fahrzeugen und der Außenwelt verantwortlich – und ihre Bedeutung wächst.

Viele dieser Systeme werden zunehmend auf eine schnelle und durchsatzstarke Zugriffsmöglichkeit auf Datenspeicher von beträchtlicher Kapazität angewiesen sein. Schon bisher hat die Nachfrage nach mehr Kapazität und höheren Geschwindigkeiten bewirkt, dass in den Fahrzeugen immer neue Generationen von Datenspeicher-Technologien zum Einsatz kamen.

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UFS- ersetzt zunehmend eMMC-Schnittstelle

Nach den von Desktop-Computern gewohnten, klassischen Festplatten mit PATA- oder SATA-Interface kamen die Solid-State-Speicher, zunächst als SD-Cards, dann als eMMC-Speicher. Inzwischen jedoch hat die nächste Umstellung auf dem Automotive-Sektor begonnen, nämlich von eMMC (jetzt in der Version .1 der Spezifikation) zu Universal Flash Storage (UFS). Dieser Schritt wird den Automobilherstellern höhere Schreib-Lese-Geschwindigkeiten (drei- bis viermal höher als eMMC 5.1) und eine bis zu 2,5-mal höhere Random-IOPS-Performance (Input/Output Operations Per Second) bescheren.

Besonders gut zu den Auto-Designs der Zukunft passt die UFS-Technik. Dieser Bietrag wirft einen Blick auf wichtige Performance-Parameter und Produktspezifikationen, aber auch Zulieferer-Aspekte, die es bei der Evaluierung von UFS-Speicherbausteinen für Automotive-Anwendungen zu beachten gilt.

Ungefähr seit dem Jahr 2010 ist der Automobilsektor ein beträchtlicher Abnehmer von eMMC-Speicherbausteinen. Nachdem Speicherbausteine auf Basis des eMMC-Interface in der ersten Dekade des 21. Jahrhunderts zunächst in der Mobiltelefon-Branche eingesetzt wurden, schlossen sich die Automobilhersteller diesem Vorreiter an.

Gründe waren die lange Lebensdauer und die höhere Zuverlässigkeit der eMMC-Speicher gegenüber PATA- oder SATA-Festplatten, deren bewegliche mechanische Teile sehr anfällig waren, wenn sie den rauen Einsatzbedingungen eines Kraftfahrzeugs ausgesetzt wurden.

Gründe für die Umstellung auf UFS-Technik

Entwickler von elektronischen Systemen für Automobile stoßen bereits an die Performance-Grenzen der eMMC-Schnittstelle. Hinzu kommt: Neue IVI-Systeme (In-Vehicle Infotainment) mit Unterstützung für immer mehr autonome Fahrfunktionen stellen noch höhere Anforderungen. Diese Systeme haben größere und ausgefeiltere grafische Benutzeroberflächen und sollen beispielsweise auch Videos abspielen können. Die Architektur dieser IVI-Systeme wird in vielen Labors gerade neu überdacht.

Bei früheren, einfacheren IVI-Systemen konnte eine Mehrprozessor-Architektur genutzt werden, in der alle Elemente, also der Instrumentencluster, das zentrale Informationsdisplay- (CID) und Mediensystem und das Navigationssystem, jeweils von eigenen, diskreten Prozessorchips gesteuert wurden (Bild 1).

Digitale Cockpits überfordert eMMC-Schnittstelle

Mittlerweile kommen jedoch mehr „digitale Cockpits“ auf der Basis hochintegrierter Architekturen zum Einsatz. Darin kontrolliert ein einziger Prozessor sämtliche Displayfunktionen einschließlich des Instrumentenclusters, des Mediensystems, der Navigation und der Konnektivität. In einer solchen Architektur müssen die Daten mit einer deutlich höheren Rate mit diesem Prozessor ausgetauscht werden als bislang.

Ein eMMC-Interface ist dafür nicht schnell genug. Eine zweikanalige UFS-Schnittstelle bietet im Vergleich einen erheblich größeren Maximaldurchsatz als ein eMMC-Interface der fünften Generation (Bild 2). Dieser theoretisch höhere Datendurchsatz spiegelt sich in den Performance-Parametern kommerziell angebotener Speicherprodukte wider.

Bild 3 zeigt einen Performance-Vergleich zwischen eMMC-basierten und UFS-Speicherprodukten. Inzwischen kann der Automobilmarkt von der bewährten UFS-Interfacetechnik und einem umfangreichen Angebot an UFS-NAND-Speicherprodukten profitieren, obwohl es hinsichtlich der Produktattribute und der Lieferkette gravierende Unterschiede zwischen UFS-Speicherprodukten für Automotive-Anwendungen und solchen für Konsumprodukte gibt.

eMMC-Speicherbausteine durch Ferri-UFS ersetzen

Der höhere Datendurchsatz, den das UFS-Interface verglichen mit eMMC v5.0 oder v5.1 unterstützt, sorgt auf der Produktebene für eine mehr als 3 mal höhere Performance. Die Tatsache, dass UFS-basierte Speicher gleichzeitige Schreib- und Lesezugriffe unterstützen, verbessert den Multitasking-Support und erlaubt dem Endanwender verzögerungsfreie Wechsel von einer Applikation zur anderen.

Die sehr hohe sequenzielle Lesegeschwindigkeit sorgt außerdem beim Streamen von HD-Videos für eine gleichmäßige, ruckelfreie Wiedergabe, und der maximale Random-IOPS-Wert von 50.000 bewirkt, dass selbst besonders rechenaufwändige Applikationen gefühlt ohne Verzögerung auf Eingaben des Anwenders reagieren.

All dies hat zur Folge, dass die Hersteller überlegen, ihre Designplattformen von eMMC-basierten Speichern auf UFS-Speicher zu migrieren. Im Automobilbereich tätige Nutzer der Ferri-eMMC-Serie von Silicon Motion können beispielsweise auf die Ferri-UFS-Serie umsteigen und dabei von einem schnellen und unkomplizierten Designintegrations-Prozess profitieren.

UFS 2.1 mit Standard-NAND-Flash kombiniert

Das Ferri-UFS-Produkt mit der Typenbezeichnung SM671 ist eine hochintegrierte Lösung, die einen mit vielen Features ausgestatteten Flash-Controller gemäß der neuesten UFS-2.1-Spezifikation mit einem standardmäßigen NAND-Flash-Speicher kombiniert. Das Produkt unterstützt die fortschrittlichen Features der neuesten Spezifikation UFS v2.1, wie etwa den HS-Gear3 x 2-Lane-Moduns und die Command-Queue-Funktion.

Überdies können die Ferri-UFS-Produkte per Firmware individualisiert werden, um bestimmte, vom jeweiligen OEM gewünschte Features und Applikationen zu bieten. Das Produkt SM671 hat ein 11,5 mm x 13 mm x 1,2 mm großes BGA-Gehäuse mit 153 Kontaktpunkten und ist mit Speicherkapazitäten von 16 GB bis 256 GB lieferbar. Es ist gemäß AEC-Q100 Grade 3 für Automotive-Anwendungen bis 85 °C qualifiziert (Grade-2-Qualifikation seit dem zweiten Quartal 2019). Eindrucksvoll ist die Performance, sind die Datenübertragungsraten und die Initialisierungszeit doch mehr als ausreichend für die kommende Generation von IVI-Designs für den Automotive-Sektor.

Strikte Qualitätskriterien im Automobilmarkt

Wie beschrieben bieten UFS-Speicherprodukte wie die Serie Ferri-UFS eine hohe Speicherdichte zu einem attraktiven Preis, was der Verwendung der neuesten 3D TLC NAND-Flash-Speicher zu verdanken ist. Für den Automobilmarkt müssen Performance- und Kostenaspekte jedoch mit der Forderung nach höchster Qualität und Zuverlässigkeit in Einklang gebracht werden. Dazu muss der Speicherhersteller strikte Qualitätsprozesse und -kriterien anwenden und proprietäre Zuverlässigkeits- und Datenintegritäts-Features implementieren.

Die Qualitätsprozesse müssen eine Gesamt-Defektrate der an die Kunden ausgelieferten Produktions-Bauelemente von unter 10 ppm. Strikte Kriterien werden auch auf die Controller-Spezifikationen und die NAND-Chips angewandt, die in den Ferri-UFS-Produkten zum Einsatz kommen. Die Chip-Auswahl erfolgt ausschließlich von Wafern mit hoher Fertigungsausbeute, die mit ausgereiften (also nicht mit gerade erst entwickelten) Fertigungsprozessen hergestellt werden.

In dieser Phase sind sämtliche Defekte und Qualitätsprobleme in der Regel gut charakterisiert und damit problemlos feststellbar. Der Produktionsprozess eines Ferri-UFS-Produkts startet folglich mit Known-Good-Dies. Hinzu kommt, dass alle Stufen der Ferri-UFS-Lieferkette, von der Foundry, die den Controller herstellt, über das Werk, in dem die Wafer sortiert werden, bis hin zur Validierung bei Silicon Motion selbst, gemäß IATF 16949 zertifiziert sind.

Auch die Rückverfolgbarkeits-Anforderungen der Automobilindustrie werden vollumfänglich eingehalten. Der Controller-Chip eines Ferri-UFS-Bausteins enthält beispielsweise eine eindeutige, in einem einmal programmierbaren (OTP-)Speicher abgelegte Chipkennung und kann daher bis zu seinem ursprünglichen Waferlos und zu seiner Wafer Map zurückverfolgt werden.

Sehr gute Datenintegrität und Zuverlässigkeit

Das Engagement von Silicon Motion für Automotive-gerechte Qualität erstreckt sich bis zur finalen Montage, die auf einer vollautomatischen Linie stattfindet. Prüfkammern werden eingesetzt, um jeden Block in jeder Produktionseinheit bei einer vom Kunden vorgegebenen Temperatur auf Defekte zu überprüfen (Bild 4). Mithilfe dieses Screen­ings kann Silicon Motion sämtliche Zellen, bei denen das Risiko eines frühzeitigen Ausfalls besteht, identifizieren, sodass sie vom NAND-Controller noch vor der Auslieferung an den Kunden ausgesondert werden können.

Sämtliche Produktionseinheiten werden außerdem erweiterten Temperaturprüfungen und Tests mit hohen und niedrigen Spannungen unterzogen. Die Tatsache, dass Silicon Motion diese Prozesse und Kriterien routinemäßig auf alle für Automotive-Kunden vorgesehenen Ferri-UFS-Produkte anwendet, ist der Grund dafür, dass die ausgelieferten Produkte stets die Zielvorgaben erreichen. Im Automobilbereich zählen Zuverlässigkeit und lange Lebensdauer zu den zentralen Kriterien für die Systemdesigner.

Für die Nutzer von UFS-Speicherbausteinen erfordert dies eine vergleichende Evaluierung zweier Parameter: Endurance und Datenintegrität. Die Begründung hierfür liegt in den inhärenten Eigenschaften der durch hohe Dichte gekennzeichneten 3D NAND-Flash-Technologie. Die auf der Basis hochentwickelter Prozesse mit Strukturabmessungen von 19 nm oder weniger hergestellten Zellen der 3D TLC NAND-Flash-Speicher der Ferri-UFS-Produkte unterliegen mit jedem Programmier-Lösch-Zyklus einem Verschleißrisiko, was langfristig zu Datenverlusten führen kann.

Wear-Leveling schützt vor Abnutzung der Speicherzellen

Werden keine Fehlerkorrektur-Funktionen implementiert, besteht außerdem die Gefahr von Lese- und Schreibfehlern. Silicon Motion geht das Endurance-Problem an, indem der NAND-Controller des Unternehmens mit einer ausgefeilten globalen Wear-Levelling-Technik ausgestattet wird. Hinzu kommt eine anspruchsvolle Technik zur Verlängerung des Datenerhalts, die sich unter anderem folgender Verfahren bedient:

  • Static Data Refresh: Bei dieser statischen Daten-Auffrischung werden die Zellen automatisch mit einer von der Temperatur abhängigen Rate gescannt (extreme Temperaturen erhöhen die Häufigkeit von Datenverlusten). Besteht das Risiko eines Datenverlusts, werden die Daten in den Zellen von dieser Funktion neu geschrieben.
  • Early Retirement: Diese Funktion analysiert die Blöcke automatisch und nimmt solche aus dem Speicher-Array heraus, bei denen ein hohes Risiko für vorzeitige Datenverluste besteht.

Diese und weitere lebensdauersteigernde Funktionen führen zu einem Endurance-Wert von 3.000 Programmier-Lösch-Zyklen, womit die Marke, die von der Automobilindustrie üblicherweise für IVI-Speicheranwendungen vorgegeben wird, sogar noch übertroffen wird. Die Datenintegrität wird durch Anwendung einer Fehlerkorrektur-Technologie sichergestellt, die den in Consumer-NAND-Bausteinen typisch verwendeten Verfahren überlegen ist. Silicon Motion implementiert ferner eine als Enhanced Write Protection bezeichnete Methode, die permanente, temporäre oder Power-On-Schutzoptionen zur Auswahl stellt.

Schutz von Daten vor Stromausfall

Besondere Vorkehrungen zum Schutz der Daten bei einem unerwarteten Ausfall der Stromversorgung – im Automobilbereich ein nicht ganz seltenes Phänomen – stellen sicher, dass Daten, die beim Ausfall der Stromversorgung gerade geschrieben werden, sicher gespeichert werden, bevor der Ferri-UFS-Baustein abschaltet. Gestützt werden diese Features durch einen 8+1-Fehlerdetektierungs-Code, der auf den Ferri-UFS-SRAM-Speicher angewandt wird.

Die Zuverlässigkeit der von Silicon Motion angebotenen Gesamtlösung schließt nicht zuletzt eigene Arrangements für die Herstellung und den Versand der Produkte ein, um den strikten Just-in-time-Vorgaben der Hersteller gerecht zu werden. Zu diesen Arrangements gehört die volle Produktions-Redundanz, sichergestellt durch die Vorhaltung von Reserve-Zulieferern für jeden Teil des Produktionsprozesses – von den Zulieferern der NAND-Flash- und Controller-Wafer bis zu den Chip-Assembly-Firmen, zum Screen­ing und zum Modulzusammenbau.

Anforderungen der Automobilindustrie erfüllen

Bei datenintensiven Anwendungen im Auto wie IVI-Systemen vollzieht sich eine Umstellung der Datenspeichertechnik von den bisher vorherrschenden eMMC-Speichern auf neue UFS-Produkte mit 3D TLC NAND-Flash-Speichern hoher Dichte. Mit den Bausteine der Serie Ferri-UFS (SM671) erfüllt Silicon Motion die höchsten Erwartungen an Qualität und Zuverlässig. Gleichzeitig bieten die Speicher eine Performance, die für den effektiven Einsatz in den neuen Ein-Prozessor-Architekturen digitaler Cockpits erforderlich ist.

Mit zusätzlichen Datenintegritäts-Features wie einer LDPC-ECC-Engine sowie einer robusten, redundanten Lieferkette ebnet die Ferri-Produktlinie einen sicheren Weg zur Implementierung leistungsfähiger UFS-Datenspeicher-Technologie in IVI-Systemen und anderen rechenintensiven Anwendungen der Autos von morgen. //ME

* Lancelot Hu ... ist Product Manager High Reliable SSD and eMMC for future Automotive and IoT bei Silicon Motion.

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