iNAND 7250A: la flash embedded per il settore automotive

iNAND 7250A: la flash embedded per il settore automotive

Connettività, sicurezza, intrattenimento, informazioni in tempo reale sul traffico, guida autonoma sono tutte funzionalità la cui crescita nel settore automotive sta procedendo in modo inarrestabile. Gli autoveicoli di ultima generazione offrono dei servizi avanzati che richiedono degli adeguati ed efficienti dispositivi di storage in grado di supportarli. La nuova soluzione di memoria flash embedded di SanDisk offre livelli di qualità ed affidabilità eccezionali, in grado di soddisfare le più stringenti richieste di capacità e velocità di trasferimento in ambito automotive

Introduzione

La nuova serie di memorie flash embedded iNAND 7250A presentata da SanDisk è stata sviluppata per supportare la crescente domanda di dati imposta dai più recenti sistemi tecnologici introdotti sugli autoveicoli (tra cui gli ADAS, Advanced Driver Assistance Systems), a cui si aggiungono il sistema di infotainment (che oltre alla tradizionale radio, analogica e digitale, integra oggi altre funzioni quali: navigazione, gestione di file multimediali e contenuti in streaming, telefono, ricalcolo del percorso in tempo reale a seconda delle condizioni di traffico), i sistemi per la sicurezza richiesti da standard come l’ISO 26262, e la connessione tra i veicoli basata sulla tecnologia V2V (Vehicle To Vehicle). Come richiesto in un contesto sfidante e impegnativo quale l’automotive, le nuove memorie SanDisk sono caratterizzate da un elevato grado di robustezza e affidabilità, in grado di fornire alti livelli di prestazioni anche in condizioni estreme, come una temperatura di funzionamento del componente compresa tra -40°C e +105°C. Si tratta dunque di una soluzione robusta adatta a supportare le tecnologie automotive più avanzate (come la connessione tra i veicoli). Tali dispositivi vengono caratterizzati elettricamente e misurati secondo lo standard AEC-Q100 relativo ai componenti elettronici e memorie non volatili installati sugli autoveicoli. In realta’ le condizioni di caratterizzazione elettrica e screening di produzione a cui SanDisk sottopone tali componenti sono ancora più severe, al fine di garantire un margine di funzionamento sufficientemente elevato rispetto ai limiti di specifica.

La quantità di dati richiesta per supportare le nuove tecnologie rivolte all'automotive (come la tecnologia V2V) è impressionante. Basti pensare che un recente studio condotto da Gartner ha prodotto le seguenti stime:

  • entro il 2020, il numero di veicoli equipaggiati con sistemi di connessione vehicle-to-vehicle (inclusi quelli installati in post-produzione, ad esempio, collegati alla porta diagnostica OBD II) sarà pari a 220 milioni;
  • a partire dal 2018, la principale modalità di comunicazione tra i veicoli connessi sarà basata su moduli embedded integrati nel veicolo, connessi tramite la rete di operatori mobili. Il loro numero sarà confrontabile a quello dei dispositivi di tipo mobile come ad esempio smartphone e tablet utilizzati tramite il tethering;
  • entro il 2020, il traffico dati annuale imputabile ad ogni vecolo connesso a guida autonoma raggiungerà la soglia di 280 petabyte (280 milioni di Gb). In pratica un veicolo a guida autonoma produrrà svariati GB di dati per ogni ora di funzionamento.

La flash embedded iNAND 7250A proposta da SanDisk è costruita integrando nello stesso dispositivo sia la memoria flash che il relativo controller, supporta capacità sino a 64 GB, ed ha velocità in scrittura (sequenziale) fino a 110 MB/s, e fino a 300 MB/s in lettura (sequenziale). Il dispositivo incorpora inoltre le funzionalità “smart” di diagnostica avanzata, tipica dei componenti SanDisk per il settore automotive. Inoltre include una protezione avanzata nei confronti del power failure e del write/erase abort, il monitoraggio della memoria NAND interna al fine di garantire la sua gestione ottimizzata, al fine di massimizzare l’affidabilità, ed implementare molte altre caratteristiche avanzate.

Caratteristiche tecniche

Le principali caratteristiche tecniche della memoria flash embedded iNAND 7250A sono riassunte nella tabella 1.

Funzionalità

conforme allo standard AEC-Q100 di livello 2 (range di temperature compreso tra -40°C e +105°C) e AEC-Q100 di livello 3 (range di temperature compreso tra -40°C e +85°C)
dispositivo realizzato con memoria flash nand e controller di primissima qualità
conforme alla specifica JEDEC e.MMC 5.1 HS400
velocità fino a 110 MB/s in scrittura sequenziale, e fino a 300 MB/s in lettura sequenziale
immunità alle cadute di tensione di alimentazione, in modo da garantire coerenza del file-system interno anche in presenza di write abort.
supporto per fino a 2 partizioni di boot e fino a 2 partizioni utente
conforme alle linee guida previste dallo standard ISO 26262 relativamente alle memorie non volatili (standard di sicurezza)
Temperatura operativa da -40°C a +85°C da -40°C a +105°C
Capacità 8, 16, 32, 64 GB
Interfaccia hardware e.MMC 5.1 HS400
Package 11,5 x 13 x 0,8 mm (8 e 16 GB)
11,5 x 13 x 1 mm (32 GB)
11,5 x 13 x 1,2 mm (64 GB)
Tensione operativa tra 2,7 V e 3,6 V
Gestione della memoria fisica tramite firmware avanzato con funzionalità ECC, wear leveling e gestione dei blocchi danneggiati
Conservazione dei dati fino a 10 anni alla temperatura di riferimento di 55°C, in caso di dispositivo non alimentato. Se il dispositivo è alimentato, la sua data-retention è pressochè infinita.
 Tabella 1: caratteristiche della memoria flash embedded iNAND 7250A

L’interfaccia eMMC

Con il termine eMMC (acronimo di embedded Multi Media Card) si intende un dispositivo in cui sia la memoria flash che il relativo controller sono integrati all’interno dello stesso microchip BGA, in modalità stacked (sovrapposti l’uno sull’altro, usando tecniche di cablaggio interno molto avanzate). Una soluzione di questo tipo è disponibile in package BGA, e include tre componenti:

  • l’interfaccia MMC;
  • la memoria flash fisica (progettata e prodotta usando i processi flash NAND più evoluti di SanDisk);
  • il controller per la memoria flash (disegnato e prodotto con processi di diffusione high-speed logic).

I campi di utilizzo di questa tecnologia riguardano diversi tipi di applicazioni embedded: automotive, smartphone e tablet, macchine fotografiche, navigatori e riproduttori multimediali portatili, e altro ancora. Il fatto che SanDisk sia in grado di progettare sia il controller che la memoria flash NAND fisica, ha permesso di ottenere un elevato grado di efficienza e performance, riducendo la complessità del circuito e i costi complessivi. E’ stato inoltre possibile sviluppare funzionalità avanzate come la cancellazione sicura, il trim, e gli interrupt ad alta priorità. In Figura 1 possiamo osservare il confronto tra una soluzione tradizionale basata sull'utilizzo di memoria flash NAND discreta (in cui il controller è collocato all’esterno del dispositivo di memoria) e una soluzione di tipo eMMC con il controller assemblato a bordo del chip. Quest’ultima soluzione offre dei vantaggi innegabili, sollevando il processore host da compiti onerosi quali: controllo di parità (ECC), gestione dei blocchi guasti, algoritmo di wear leveling, algoritmo di garbage collection, accodamento e gestione dei comandi a basso livello verso la flash NAND, e altri meccanismi necessari per garantire l’integrità e la sicurezza dei dati. Si noti inoltre come l’interfaccia sia molto semplificata e ottimizzata anche a livello di connessioni elettriche. I dispositivi della serie i.NAND 7250A di SanDisk sono conformi alla più recente versione di set di comandi e velocita’ del bus, la 5.1 HS400, dello standard JEDEC eMMC.

Figura 1: confronto tra un’architettura di memoria NAND tradizionale e una basata su eMMC

Le soluzioni per il settore automotive

Gli autoveicoli di ultima generazione integrano dei sistemi e funzionalità avanzate che comportano un elevato traffico di dati, sia internamente che da e verso l’esterno. In questo contesto è fondamentale disporre di dispositivi di memoria non volatile affidabili, sicuri, veloci, e ad elevata capacità come le flash embedded i.NAND 7250A di SanDisk. Tra le principali applicazioni di queste soluzioni di storage in ambito automotive possiamo ricordare i sistemi di navigazione (sia 2D che 3D), i sistemi di infotainment (in Figura 2 è visibile un sistema di infotainment integrato nel cruscotto del veicolo), i sistemi per l’assistenza alla guida (ADAS), i cruscotti con grafica avanzata e i vari dispositivi di interfacciamento HMI-Human Machine Interface (touchpad, encoder rotativi, ecc.), i sistemi per la registrazione dei dati, nonchè i sistemi per la guida autonoma. Le memorie flash di tipo embedded offrono la potenzialità di creare nuove forme di connettività, coinvolgendo direttamente il guidatore, i passeggeri, e persino l’autovettura stessa verso altri veicoli e verso server centralizzati. Nei prossimi paragrafi approfondiremo alcune di queste applicazioni.

Figura 2: un moderno sistema di infotainment, completamente integrato nel veicolo

I sistemi per la navigazione e l’intrattenimento

Enormi sono stati i progressi compiuti in quest’area, dove dalla semplice autoradio si è passati a sistemi completi e integrati in grado di svolgere diverse funzionalità complesse (tuner analogico, digitale, e DAB+, riproduttore multimediale, telefono, navigatore) utilizzando un'unica scheda embedded. La tendenza attuale dei produttori di autoveicoli è infatti quella di integrare più funzionalità all’interno del sistema di infotainment: lo stesso display utilizzato per la visualizzazione delle mappe viene ad esempio utilizzato per gestire e controllare la radio, per interfacciarsi con il lettore di CD o DVD, per riprodurre brani musicali di vario formato memorizzati all'interno di una chiavetta di memoria USB, SD, uSD o all’interno della memoria di storage interna, per visualizzare le informazioni relative alle chiamate in corso, per eseguire il pairing Bluetooth con lo smartphone ed aggiornare la rubrica contatti, e così via.

Per quanto riguarda i dispositivi embedded rivolti allo storage, uno dei principali cambiamenti a cui abbiamo assistito nel contesto automotive riguarda sicuramente la memorizzazione delle mappe necessarie al funzionamento del sistema di navigazione, che deve poter funzionare anche in assenza permanente o temporanea di connettività dati. I navigatori di ultima generazione richiedono mediamente almeno 16 GB di spazio per la memorizzazione delle mappe, un requisito che ha comportato l’abbandono dei DVD (inizialmente utilizzati sui navigatori) a causa della loro limitata capacità di memoria. Al posto del DVD sono oggi utilizzate soluzioni di storage più efficienti, avanzate, e performanti, che includono schede di memoria SD, hard disk o dischi allo stato solido (SSD), e, soprattutto, dispositivi di memoria flash embedded (eMMC). Quest'ultima rappresenta sicuramente la soluzione di maggiore interesse, in quanto permette la memorizzazione di una quantità superiore di dati: più canzoni campionate a qualità di compressione più elevata, grafica a risoluzione più elevata, un numero maggiore di applicazioni complesse installabili, con benefici immediati sia per il guidatore che per gli occupanti del veicolo. Lo stesso fenomeno ha interessato negli ultimi anni diverse tipologie di applicazioni consumer, come ad esempio i lettori multimediali portatili, le fotocamere, i tablet e gli smartphone. Relativamente al settore automotive, una nuova applicazione si sta però delineando, quella relativa alla possibilità di connettere più veicoli tra loro, realizzando, di fatto, un’infrastruttura per lo scambio di informazioni tra gli stessi. I volumi di dati interessati da questo tipo di applicazione sono enormi e senza precedenti, parliamo infatti di centinaia di gigabyte, e siamo soltanto agli inizi. L’esigenza primaria non sarà più pertanto quella di disporre di spazio di memoria sufficiente per contenere le mappe del navigatore: ogni singolo veicolo sarà in grado di generare un’enorme quantità di dati proveniente da molteplici sensori: velocità di marcia, numero di giri, livelli di emissione dei gas di scarico, stato della trasmissione e del sistema frenante, e così via. Gli autoveicoli disporranno di telecamere multiple, in grado di acquisire e analizzare gli eventi in tempo reale. L’obiettivo sarà quello di aumentare il più possibile gli standard di sicurezza, evitando le collisioni tramite l’analisi combinata delle traiettorie in tempo reale, e di monitorare l’ambiente esterno per salvaguardare l’incolumità dei guidatori stessi, pedoni, ciclisti, animali ed in ultima analisi di tutti gli utilizzatori della strada.

Tutte queste funzionalità avanzate hanno un fattore in comune: la richiesta di una capacità di elaborazione e di spazio di memoria non volatile senza precedenti. Non dimentichiamo poi che stiamo parlando di un’autovettura, destinata a percorrere le strade di tutto il mondo, incontrando condizioni meteorologiche spesso avverse e comunque sfidanti sul piano dell’affidabilità, delle prestazioni, e della durata. Condizioni di estremo caldo, freddo, aridità o eccessiva umidità, vibrazioni, sono contesti tipici in cui un normale veicolo è chiamato ad operare per molti anni. Non è necessario conoscere a fondo le tecnologie impiegate negli hard disk per sapere che essi non sono stati progettati per operare in questo tipo di condizioni, soprattutto se ripetute lungo tutto l’arco della vita media di un veicolo (stimato dai produttori in 10 anni, con una percorrenza limite di oltre 200 mila chilometri, anche maggiore per un veicolo di trasporto merci o passeggeri, soggetto peraltro a frequenti spegnimenti ad accensioni riputute nell’arco della giornata).

Le memorie flash allo stato solido rappresentano in questo contesto la soluzione per lo storage più adatta a soddisfare le esigenze dei produttori di automobili. Si tratta infatti di una tecnologia molto matura, conveniente sul piano economico, e soprattutto collaudata a fondo in diversi tipi di applicazioni. Le memorie flash embedded sono in grado di funzionare in modo affidabile anche nelle condizioni ambientali più critiche, e offrono una capacità di memorizzazione sufficiente a soddisfare la domanda imposta dal numero crescente di app installate dal produttore o dagli utenti del veicolo, e dall’enorme mole di dati generata dal veicolo stesso quando opera con la tecnologia V2V. I produttori di autoveicoli e le rispettive aziende fornitrici dovranno quindi tenere in debita considerazione questi requisiti di storage quando progettano un sottosistema hardware da installare a bordo del veicolo. Analogamente, gli sviluppatori software di applicazioni in ambito automotive dovranno essere al corrente di come ottimizzare i loro programmi affinchè supportino una memoria flash nel formato iNAND eMMC nel modo più appropriato ed affidabile. Lo standard ISO 26262 adottato per la progettazione e la caratterizzazione sia del firmware integrato di iNAND che dei relativi componenti hardware (MMC/NAND controller e flash NAND) garantisce che il componente si debba comportare nella maniera più affidabile possibile negli sceneri critici individuati durante la fase di DFMEA (Design Failure Mode and Effect Analisys – acronomino inglese che identifica la fase di studio e simulazione di tutti gli scenari critici possibili ed uno studio del rischio di fallimento del componente quando essi si presentano). Del resto la disponibilità di strumenti avanzati di diagnostica presenti all’interno del componente permette di adottare contromisure in varie modalità di funzionamento. Un esempio molto banale è ad esempio quello del controllo approfondito dell’integrità del filesystem logico definito nelle partizioni del componente quando iNAND segnala alla sua riaccensione le presenza di eventi di write abort causati da cadute della tensione di alimentazione durante il suo precedente spegnimento.

I veicoli interconnessi

Abbiamo visto in precedenza come i sistemi di infotainment attuali vadano ben al di là della semplice visualizzazione di una mappa o dei punti di interesse, fornendo contemporaneamente indicazioni vocali e visive su come raggiungere la destinazione desiderata. I dispositivi attuali sono in grado di gestire delle applicazioni audio e video installate direttamente sul veicolo, e hanno la possibilità di connettersi ai servizi online che forniscono le informazioni relative alla situazione del traffico e delle condizioni meteorologiche in tempo reale o addirittura predittive nel caso il viaggio debba durare molte ore. Non solo, un sistema di infotainment è persino in grado di collegare il veicolo ai sistemi di telemetria e tracciamento del proprio produttore, il quale può così acquisire le informazioni direttamente dai sensori installati a bordo, fare le opportune verifiche, ed eventualmente correggere eventuali criticità riscontrati in questa fase.

E’ inutile sottolineare come un veicolo connesso, spesso indicato con il termine ‘smart car’, rappresenta qualcosa di completamente diverso, dal punto di vista tecnologico, da quanto sinora realizzato. Per chi deve ad esempio rilasciare un’app, la tentazione sarebbe quella di estrapolare le informazioni relative allo sviluppo di un’applicazione partendo dalle esperienze passate, ad esempio relative a un’app sviluppata per smartphone o tablet. In realtà, le più recenti tecnologie impiegate in campo automotive hanno dei requisiti molto differenti rispetto a quelli caratteristici di un dispositivo mobile. Queste differenze interessano soprattutto l’interfaccia utente o HMI (in Figura 3 un esempio di interfaccia utente per la configurazione personalizzata dello stato delle portiere e delle luci), l’esperienza e le sensazioni dell’utente in termini di risposta e reattività dell’applicazione, nonchè vincoli stringenti legati all’affidabilità e robustezza del sistema. Inoltre, queste differenze peculiari si traducono in requisiti derivati quando si analizzano le caratteristiche che deve possedere il sistema per lo storage ad esse sottostante.

Figura 3: un esempio di interfaccia utente (HMI) per la configurazione di alcuni parametri del veicolo

Pensiamo per un attimo a un caso d’uso reale: stiamo guidando la nostra autovettura, equipaggiata con un sistema di infotainment di ultimissima generazione. Tocchiamo un’icona presente sullo schermo touch del sistema per lanciare un’applicazione: quanto siamo disposti ad aspettare prima che l’app venga messa in esecuzione e sia reattiva ai nostri comandi? Un ritardo eccessivo potrebbe causare delle pericolose distrazioni. Per ragioni di sicurezza, ma anche per non infastidire inutilmente l’utente, una ‘smart car’ dovrebbe essere in grado di lanciare un’app nel modo più reattivo possibile. In caso di avvio ritardato, dovrebbe produrre informazioni grafiche e suggerimenti al fine di non distrarre il guidatore dalla guida. E quale sarebbe il modo migliore per controllare tale applicazione? Il controllo manuale non è certamente una buona idea, in quanto distoglierebbe eccessivamente l’attenzione dalla guida. Meglio sicuramente un’interazione di tipo vocale, basata su comandi e risposte intuitive, in modo tale che il guidatore possa mantenere gli occhi sulla strada mentre interagisce con il dispositivo, anzichè cercare di aggirare le latenze di risposta del software cercando modalità alternative per lanciare i comandi. Cosa succede poi se un’app va in crash oppure si blocca senza alcun motivo apparente mentre si sta guidando? Se si tratta di un’applicazione vitale, come ad esempio una che monitora l’ambiente circostante il veicolo per rilevare in anticipo il rischio di una possibile collisione, non si vuole certo attendere a lungo affinchè essa si riavvii. Data la sua importanza, è necessario che essa si riavvii spontaneamente e riprenda a monitorare le condizioni e lo stato della strada nel più breve tempo possibile.

In ultima analisi, tutte le applicazioni installate in sistemi di infotainment e guida autonoma leggono e scrivono moli molto elevate di dati, custodite all’interno del filesystem di memorie eMMC ad elevata capacità. Progettare in modo opportuno le API (Application Programming Interface – ossia le librerie di funzioni che permettono l’accesso a basso livello all’hardware a seguito di chiamate del sistema operativo) permette di essere certi che la memoria di massa verrà usata nel modo più ottimizzato possibile sia a livello di usura nel tempo, che di affidabilità di funzionamento che di performance di accesso. Progettare una app per un sistema automotive senza conoscere a fondo tali problematiche è molto pericoloso, in quando potrebbe condurre a difettosità riscontrabili anche a distanza di molti anni dal rilascio e potenzialmente riscontrate a livello epidemico in tutti i veicoli che l’hanno installata.

Conclusioni

Per tutti i motivi elencati, le applicazioni rivolte ai veicoli connessi o ‘smart car’ impongono un onere e dei compiti differenti a tutte le componenti hardware e software utilizzate nel sistema di infotainment, vale a dire CPU, sistema operativo, e sistemi per lo storage. Le piattaforme per l’infotainment odierne non eseguono attualmente molte scritture in memoria, e utilizzano in modo limitato il multitasking, con vincoli real time spesso poco stringenti. Tutto ciò cambierà nell’immediato futuro: con una sempre crescente convergenza di funzionalità digitali all’interno dell’auto, il tempo di boot (sia del sistema complessivo che della singola app), nonchè i tempi di risposta a livello di interfaccia utente, dovranno essere ridotti notevolmente di un fattore fino a 10 x. La soluzione non si trova semplicemente equipaggiando il sistema di infotainment con un application processor più veloce: l’approccio migliore, in termini di costi, tempi di risposta, sicurezza, e grado di soddisfazione dell’utente, non può prescidere dal prevedere e scegliere la soluzione per lo storage più adatta, lavorando in modo preventivo con il fornitore della memoria stessa al fine di verificare l’affidabilità delle modalità di utilizzo.

Ringraziamenti

Si ringrazia per la collaborazione Matteo Zammattion, Responsabile del supporto tecnico di sistemi embedded in EMEA SanDisk.

Riferimenti Sandisk

  • Giacomo Lorenzoni, Sales Manager Italia (email: giacomo.lorenzoni@sandisk.com).
  • Matteo Zammattio, Responsabile del supporto tecnico di sistemi embedded in EMEA (email: matteo.zammattio@sandisk.com).

 

 

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Una risposta

  1. Maurizio Di Paolo Emilio Maurizio Di Paolo Emilio 17 luglio 2017

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