[AutoSAR 存储] 汽车智能座舱的存储需求

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专栏《AutoSAR 存储》

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1 智能座舱的发展：

1.1 发展历史

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车辆信息娱乐系统的发展可以分为三个阶段。

机械化阶段

在上世纪90年代，车辆仪表盘和内部设备主要是机械式的，在操作上需要大量的物理按键。信息存储方面，只需要使用NOR FLASH存储简单的行驶里程、收音设置等数据，存储需求都不会超过100MB。

电子化阶段

进入2000年至2015年，电子技术开始进入车辆座舱。中控液晶显示屏、车载导航、蓝牙、媒体播放设备等简易电子设备被广泛使用。此时，存储容量需求逐渐变大，操作系统需要存储空间。虽然在这个阶段车内的人机交互不太多，而且没有太多应用软件可以装载，但存储容量基本上已经达到了16GB，存储器以TF 居多。

智能化时代
从2015年开始，随着大尺寸中控屏的引入，智能化进程迈出了重要一步。液晶仪表、中控屏、抬头式显示器、视觉感知、语音交互等装置通过域控制器集成布置于车辆座舱内，以满足驾车者和乘客更加舒适、智能化的驾乘体验需求。此时，车辆信息娱乐系统的储存需求变得越来越重要，因为车辆需要存储各种应用程序以及大量的多媒体数据，例如音乐、视频、图片等等。因此现代车辆的储存容量已经达到了数百GB级别，以满足车辆信息娱乐系统的不断增长的需求，存储器 eMMC 一度成为主角。

1.2 发展趋势

ADAS（Advanced Driving Assistance System，又称高级驾驶辅助系统）和富有功能的驾驶舱是当前半导体产品增长的主要推动力，远远高于全自动驾驶汽车。汽车内部/驾驶舱以及乘客体验（IVE，In-Vehicle Experience）已成为影响消费者购买决策和汽车厂商（OEM）品牌特性的关键因素。

消费者期望获得更好的联网体验，以便更轻松地获取信息，享受类似智能手机的无缝使用体验，并为其喜爱的所有智能手机应用程序提供本地车载支持。

越来越多、越来越大的高分辨率显示屏需支持这些应用程序，提供身临其境的体验。汽车制造商意识到，人们的关注点从实际驾驶体验转向基于个人品味、娱乐和工作效率的体验。自动驾驶汽车的未来更注重信息和乘客体验丰富的驾驶舱，因此，车内体验的创新将继续增长。

1）车载信息娱乐系统正与仪表盘集成，功能安全愈发重要。

当今的汽车对快速存储并处理大量数据的要求越来越高。汽车厂商一直面临着整合处理能力、保证数字系统流畅运行和成本竞争等压力。而现在，让人意想不到的新趋势出现了。车载信息娱乐系统，其引人入胜的高分辨率屏幕和功能越来越像智能手机了，而它的功能不再只是为了好玩。设计人员将车载信息娱乐系统与仪表盘集成，以实现符合功能安全要求的更为关键的系统。

这样集成主要是为了降低成本和简化架构，以加速实现创新。尽管这种集成是有益的，但也要考虑功能安全的要求。仪表盘中的某些信息用于提醒驾驶员注意车辆功能，其中一部分信息可能会对车辆和乘客安全产生影响，因此需要符合严格的合规要求。

2）集中式存储在交互式座舱中变得越来越重要
VI系统和仪表盘架构通常是分开设计的。虽然现有的系统在提升用户体验方面已做出了努力，但仍无法满足消费者对创新的期望，如类似于智能手机的体验。

集中式存储有助于实现不同功能系统之间的数据共享，这也是创造交互式和个性化用户体验的基础，而这正是消费者期待的车内体验。

2 智能座舱的存储芯片的要求

文献[1]

2.1. 安全可靠性的要求

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特斯拉曾经因为内存问题进行了一次大规模召回，召回数量达到约13.5万辆。据特斯拉公司表示，这是因为车辆中的8GB eMMC内存达到使用寿命后，相应的控制器会失效，从而导致后视、除霜设定、转向灯调整等功能无法正常使用。一般而言，这一问题可能会在车辆使用五到六年后开始出现。为此特斯拉提供免费更换64GB eMMC内存的解决方案。

智能座舱域控制的存储芯片必须要达到车规级要求
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汽车内部的域控制存储芯片需要考虑很多因素，其中最重要的是保障存储的安全性。这些芯片存储着非常重要的车身控制信息。因此，设计者需要采用非常高的安全标准来保证存储的可靠性。

首先，这些存储器需要能够在高温运行条件下保持正常工作。普通的电子产品只需要在 -10℃ 到 50℃ 的温度范围内正常工作，而汽车的外部环境温度变化非常大。例如，后视镜的温度在太阳长时间照射后可以达到 90-100 度左右。因此，对于存储器的宽温控制性能有很高的要求。不同位置的存储芯片的要求也有所不同。如果只是用于娱乐，不涉及安全应用等数据，要求-40℃ 到 85℃ 温度范围内正常工作。但是，如果用于智能座舱的域控制存储芯片，温度范围必须至少达到-40℃ 到 105℃，以确保在极端低温和高温环境下存储性能稳定，故障率为0。

其次，信号的可靠性和完整性也是至关重要的。在许多驾驶环境下，会经常有电磁波等环境干扰，这会影响数据的可靠性。因此，在设计上，需要考虑存储器的抗干扰性能。除此之外，在关乎整车行驶安全性的部分，车载存储器在响应速度、抗振动、可靠性、纠错机制、调试机制、可回溯性以及数据存储的高度稳定性等方面，相比消费类产品来说都要提高很多个量级。

2.2. 读取速度要快

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车载导航系统在技术和容量方面的发展趋势与手机系统基本相似。最开始的车载导航系统需要使用外接的SD卡存储地图，每次更新地图都需要到4S店支付费用。随着技术的不断进步，车载导航系统开始采用与手机系统同样的内部存储芯片接口，从eMMC到UFS接口的转变也将在智能座舱存储芯片上应用。这样的趋势也是因为UFS接口相较于eMMC接口更为先进可靠，能够更好地满足车载导航系统的需求。

在数据存储的接口方面，车载通讯的接口朝着速度更快的接口协议进行发展，目前主流的车载存储采用的是eMMC5.1和UFS2.1的接口协议。

目前在汽车前装市场领域，应用最大的是e.MMC，主要应用在TBox网端和ADAS上，有些中低端车载娱乐系统也会使用8-32GB的e.MMC。现在手机的接口都从eMMC到UFS接口了，智能座舱存储芯片的接口也会从eMMC接口变更到UFS接口，高端车型也有可能采用PCIe SSD。

UFS和eMMC接口内核都使用NAND闪存，但它们使用不同的协议进行控制。相比之下，eMMC的最大通信速率为400MB/s，而使用UFS接口时，最大通信速率可达1160MB/s。通信速度对车机的开机时间、软件加载时间等直接产生影响，因此，为了满足用户对启动速度和读写速度更快的需求，座舱领域的存储至少需要支持UFS2.1。高通第三代8155座舱SoC已经支持了UFS接口。

所以要满足读写速度快的诉求，座舱领域的存储至少要满足UFS2.1。

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上图就是UFS接口和eMMC接口的区别，内核都是NAND flash，在控制接口不同协议，通讯的速度eMMC 最大速度是400MB/s，而UFS 接口通讯最大速度是1160MB/s。

软件速度越快，就有越大的优势。例如，液晶仪表需要在最快的时间内向用户输出界面。当前赛普拉斯的平台可以在0.7秒内实现开机，而中控导航需要在用户点火倒车后的1.5秒内向用户输出倒车图像。除了软件策略的优化，快速读取数据也是至关重要的。
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UF2.1是一种高速通讯协议，双通道（Lane）传输速度达到了惊人的850MB/s，比起常用的QSPI NOR FLASH的传输速度54MB/s，快了10倍以上。使用UF2.1协议启动64MB的boot区域数据，只需短短的115ms（即0.1秒），而使用NOR FLASH则需要长达1185ms（即1.1秒）的时间。这个巨大的速度提升让用户体验得到了极致的改善，尤其是在开机速度方面。此外，当用户存储文件或音视频时，也会感受到更好的体验。比如，如果用户录制了一段很大的视频，如果保存需要漫长的等待时间，这对用户的体验将会产生很大的影响。因此，UF2.1协议的高速传输能力有望提升用户体验。

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在数据存储的接口方面，车载通讯的接口朝着速度更快的接口协议进行发展，目前主流的车载存储采用的是eMMC5.1和UFS2.1的接口协议。

上图中的速度是单通道的速度，对于 UFS 和 PCIE 可以支持多个通道，对应的速度就是多倍数。虽然PCIE 4.0 单通道带宽是 2000MB/s，个人电脑的 SSD 是 4 通道，所以极限速度是 8000MB/s. 而 UFS 常见的是 2 通道，所以实际产品速度是上图两倍。

2.3. 可灵活配置SLC存储的需求

MMC存储器是由NAND FLASH构成。因此，像NAND FLASH一样，EMMC存储器也会面临SLC、MLC、TLC等不同存储级别的挑战，其中擦除次数受限是主要的问题。SLC存储器具有60000次的可擦写寿命，但其存储容量有限，大容量的SLC存储器价格昂贵。目前，大容量EMMC存储器主要采用TLC存储技术。

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智能座舱需要录制高清视频，以1080P60为例，每秒数据量为148.5M，格式为RGB888，但摄像头信号一般为YUV4：2：2，每秒数据量为100M。录制一分钟的视频需6GB存储空间，录制一小时的视频需360GB存储空间。这些数据都是原始数据，若压缩格式为H.264，压缩比例为60:1，那么一小时视频占据6GB存储空间。