Perché l'interfaccia UFS rappresenta l'opzione migliore dal punto di vista operativo per i progetti dei futuri veicoli rispetto all’utilizzo della eMMC? Ecco i più importanti elementi che devono essere presi in considerazione nel momento della valutazione dei dispositivi di archiviazione UFS embedded da impiegare nelle applicazioni automotive.
L'autovettura sta vivendo un momento di transizione: da mezzo dedicato esclusivamente alla mobilità, è diventato un ambiente di intrattenimento e di produttività su quattro ruote. Con l'introduzione dei veicoli completamente autonomi, l'autovettura si trasformerà in una sorta di robot. Questa evoluzione contribuirà a far aumentare il valore che l'acquirente del veicolo attribuirà ai sistemi di elaborazione presenti a bordo per l'infotainment, la sicurezza, il controllo del sistema, l'interfaccia utente e le comunicazioni tra i veicoli e il mondo circostante. Molti di questi sistemi di elaborazione faranno affidamento in misura sempre maggiore sulla possibilità di accedere ad alta velocità e in tempi molto brevi a una grande quantità di dati archiviati. La richiesta di velocità e capacità sempre maggiori è stato il fattore che ha provocato il precedente salto generazionale nella tecnologia di archiviazione dei dati nel veicolo: dagli HDD (Hard Disk Drive) tipici dei più datati computer desktop con interfacce SATA o PATA alle tecnologie di archiviazione a stato solido, dapprima con le schede SD e successivamente con le unità eMMC. Attualmente nel settore automotive è in corso un'ulteriore evoluzione, con il passaggio dalle memorie eMMC (la versione più recente delle specifiche per questo tipo di dispositivi è la 5.1) alle memorie UFS (Universal Serial Flash). Si tratta di un passaggio significativo in quanto gli OEM attivi nel settore automotive potranno disporre di prodotti capaci di garantire velocità di lettura/scrittura (Read/Write) maggiori – di un fattore tre o quattro volte superiore rispetto alle memorie eMMC 5.1 – e prestazioni nettamente migliori in termini di IOPS (Input/Output Operation per Second) random – di un fattore fino a 2,5 volte.
I principali fattori alla base dell'adozione della tecnologia UFS
A partire all'incirca dal 2010, il settore automotive ha utilizzato in larga misura i dispositivi di archiviazione eMMC. Mentre i dispositivi di memoria basati sull'interfaccia eMMC sono stati adottati in prima istanza nel primo decennio del 21° secolo, i produttori operanti nel settore automotive hanno poi seguito l'esempio in considerazione della lunga durata operativa e della maggiore affidabilità dei dispositivi eMMC rispetto agli HDD con interfaccia PATA o SATA. Questi ultimi includono parti meccaniche in movimento che possono deteriorarsi se utilizzati in ambienti gravosi tipici del settore automotive,
I progettisti che operano nel settore automotive sono impegnati nello sviluppo di sistemi IVI (In-Vehicle Infotainment) in grado di gestire un maggior numero di funzionalità per la guida autonoma, non adeguatamente supportate dalle interfacce eMMC. Queste includono interfacce utente grafiche (GUI) più sofisticare e di maggiori dimensioni e applicazioni multimediali quali riproduzioni video ad alta definizione. Per lo sviluppo dei sistemi IVI della prossima generazione, i progettisti stanno pensando a una nuova architettura. Nei sistemi IVI della precedente generazione, era possibile ricorrere a un'architettura multi-processore nella quale ciascun elemento – quadro strumenti, CID (Center Information Display, sistemi multimediali e di navigazione – erano controllati mediante processori discreti (figura 1).
Nei progetti dei nuovi veicoli, le Case automobilistiche stanno sviluppando i cosiddetti “Digital Cockpit” (ovvero i cruscotti digitali) che prevedono il ricorso a un'architettura a elevato grado di integrazione. Un singolo processore ad alte prestazioni controlla tutte le funzioni di visualizzazione, compreso il quadro strumenti, il sistema multimediale, quello di navigazione e le funzioni di connettività. In un'architettura di questo tipo, i dati devono viaggiare a una velocità decisamente superiore, sia in ingresso sia in uscita dal singolo processore, rispetto a quella richiesta dalle precedenti architetture multi-processore.
Poiché le prestazioni dell'interfaccia eMMC non è adeguata a supportare le esigenze di questa architettura a processore singolo, i produttori operanti nel settore automotive stanno valutando l'opportunità di utilizzare un'interfaccia per l'archiviazione dei dati in grado di superare i limiti delle attuali eMMC. Come evidenziato nella figura 2, un'interfaccia standard a doppio canale UFS è in grado di assicurare un throughput molto superiore rispetto a un'interfaccia eMMC di quinta generazione.
Questo aumento teorico in termini di data throughput (ovvero la quantità di dati trasmessi nell'unità di tempo) è confermato dai dati relativi alle prestazioni dei prodotti di archiviazione disponibili. Nella figura 3 è riportato un confronto tra le prestazioni dei prodotti basati su eMMC e UFS.
Tutti coloro che operano nel settore automotive possono trarre vantaggio dalla collaudata interfaccia UFS e dalla disponibilità di un gran numero di prodotti di archiviazione NAND UFS ma, come verrà illustrato nel seguito di questo articolo, esistono sostanziali differenze in termini di caratteristiche di prodotto e di supply chain tra i prodotti UFS destinati ad applicazione automotive rispetto a quelli utilizzati nei dispositivi consumer.
Ferri-UFS: una valida alternativa ai dispositivi eMMC
Rispetto alle specifiche eMMC v5.0 (o 5.1), le specifiche dell'interfaccia UFS prevedono un data throughput decisamente superiore che permette, come evidenziato nella precedente figura 2, di aumentare le prestazioni a livello di dispositivo di un fattore superiore a tre. I prodotti basati su UFS sono in grado di gestire simultaneamente operazioni di lettura/scrittura, garantendo un miglior supporto della modalità multi-tasking in modo da consentire all'utente di passare da un'applicazione a un'altra senza incorrere in alcun ritardo. L'elevata velocità di lettura sequenziale assicura lo streaming di filmati ad alta definizione privi di difetti visivi (glitch). Grazie a un IOPS (numero di operazioni di ingresso/uscita al secondo) random di 50.000 (max.), gli utenti hanno la sensazione di ottenere una risposta immediata anche dalle applicazioni più onerose in termini di elaborazione.
Per questo motivo, parecchi produttori che operano nel settore automotive stanno valutando l'opportunità di effettuare la migrazione delle piattaforme di progettazione, passando dai dispositivi di archiviazione basati su eMMC a quelli basati su UFS. Gli utilizzatori della serie Ferri-eMMC di Silicon Motion, a esempio, possono passare alla linea Ferri-UFS traendo vantaggio da un processo di integrazione rapido e semplice.
Il mod. SM671 della famiglia Ferri-UFS è una soluzione ad alto grado di integrazione che abbina un controllore Flash ricco di funzionalità conforme alle specifiche UFS2.1 e una memoria Flash NAND standard. Oltre a supportare specifiche UFS2.1, questo modello si distingue per caratteristiche avanzate quali modalità di trasmissione ad alta velocità (HS-Gear3) su due canali (lane) e la funzione coda di comando (command queue). I prodotti della serie Ferri-UFS possono inoltre essere personalizzati tramite firmware per rendere disponibili funzionalità e applicazioni specifiche richieste dagli OEM. Il mod. SM671, ospitato in un package BGA a 153 sferette (ball) di dimensioni pari a 11,5x13x1,2 mm, viene fornito in versioni con differente capacità di memoria, compresa tra 16 e 256 GB. Esso è conforme alle specifiche in vigore in ambito automobilistico AEC-Q1000 Grade 3 (per il funzionamento fino a 85 °C) e Grade 2. Le velocità di trasferimento dati e i tempi di inizializzazione sono più che sufficienti per i progetti dei sistemi IVI della prossima generazione.
Alcune considerazioni sul mercato automotive
Come già prima evidenziato, i dispositivi di archiviazione UFS come quelli della serie Ferri-UFS mettono a disposizione un'elevata densità di memoria a un prezzo sicuramente competitivo grazie all'utilizzo delle più recenti Flash NAND 3D TLC. Nel caso del mercato automotive è necessario bilanciare prezzi e prestazioni con la necessità di garantire livelli di qualità e affidabilità estremamente elevati.
Silicon Motion è in grado di soddisfare questi requisiti grazie a una combinazione tra:
l'adozione di criteri e processi di controllo qualità particolarmente severi
l'implementazione di caratteristiche di affidabilità e integrità dei dati proprietarie
Criteri di qualità
Per quanto concerne i processi di controllo qualità, viene misurato il tasso di difettosità complessivo in relazione alle unità prodotte che vengono spedite, che risulta inferiore a 10 ppm: si tratta di un tasso di difettosità che Silicon Motion è riuscita a mantenere fin dal 2014, anno in cui ha incominciato a fornire prodotti per il mercato automotive. Criteri molto stringenti sono adottati anche per le specifiche del controllore e i die NAND utilizzati nei prodotti della linea Ferri UFS. La selezione dei die viene effettuata a partire da wafer a elevata resa ricavati da processi di produzione maturi (piuttosto che da quelli più recenti utilizzati per i prodotti all'avanguardia). In questa fase, tutti i difetti e i problemi legati alla qualità sono già stati studiati e completamente caratterizzati e possono essere rilevati in tempi brevi. Ciò significa che i processi di produzione per un prodotto della serie Ferri-UFS vengono avviati a partire da KGD (Known Good Die). Oltre a ciò, l'intera catena di fornitura (supply chain), dalla fonderia che fabbrica il controllore allo stabilimento che esegue il sorting (selezione) dei wafer alla fabbrica che effettua le operazioni di collaudo e validazione per finire alla stessa Silicon Motion, ha ottenuto la certificazione IATF 16949.
Anche i requisiti relativi alla tracciabilità richiesti dal settore automotive sono soddisfatti “in toto”. Il die del controllore dei dispositivi della serie Ferri-UFS include un ID unico memorizzato in una memoria OTP (One Time Programmable) grazie al quale è possibile risalire al lotto di wafer originale e alla mappa del wafer.
L'assemblaggio finale, che ha luogo su una linea completamente automatizzata, è un'ulteriore testimonianza dell'impegno di Silicon Motion finalizzato a garantire la qualità richiesta dal settore automotive. Le camere di test vengono utilizzate per analizzare ciascun blocco di ogni unità prodotta al fine di individuare eventuali difetti a una temperatura operativa specificata dal cliente (Figura 4).
Questo screening consente a Silicon Motion di identificare tutte le celle che corrono il rischio di trasformarsi prematuramente in “bad block” (celle danneggiate) in modo che il controllore le possa “mettere in quarantena” prima della spedizione all'utente finale. Tutte le unità prodotte vengono anche sottoposte al test a temperatura estesa e a quello a bassa/alta tensione. Poiché Silicon Motion applica in modo uniforme questi criteri e processi a tutti i prodotti della linea Ferri-UFS destinati al mercato automotive, l'intera produzione è in grado di conseguire i risultati prefissati in termini di qualità.
Elevata affidabilità e integrità dei dati
Per il comparto automotive, affidabilità e lunga durata operativa sono elementi della massima importanza per i progettisti di sistemi. Per gli utilizzatori dei dispositivi di archiviazione UFS, ciò richiede una valutazione comparativa di due parametri: endurance (durata utile) e integrità dei dati.
Ciò è dovuto alle caratteristiche intrinseche delle Flash NAND 3D ad alta densità: realizzate utilizzando processi avanzati (con geometrie di 19 nm o inferiori), le celle delle Flash NAND 3D TLC dei dispositivi della linea Ferri-UFS tendono a essere soggette a fenomeni di usura durante ogni ciclo di P/E (Program/Erase – Programmazione/Cancellazione) che potrebbero portare alla perdita dei dati. Questi dispositivi sono anche soggetti a errori in fase di lettura e scrittura a meno che non vengano implementate apposite funzionalità di correzione dell'errore.
Per affrontare in modo efficace le problematiche correlate alla durata utile, Silicon Motion ha adottato una sofisticata tecnologia WLT (Wear Levelling Technology) nel suo controllore della NAND.
Oltre a ciò, sono state adottate avanzate tecnologie finalizzate a prolungare la data retention (ovvero la capacità di mantenere inalterati i dati), tra cui:
Refresh statico dei dati – viene eseguita una scansione automatica delle celle a una velocità che dipende dalla temperatura (alle temperature di funzionamento estremo la perdita dei dati accelera). Tale funzione riscrive i dati nelle celle che corrono il rischio di perdere i dati
Ritiro anticipato (early retirement) – grazie all'analisi automatica dei blocchi vengono identificati quelli ad alto rischio di perdita prematura dei dati che vengono così “ritirati” dall'array di memoria.
L'obiettivo di queste e di altre operazioni finalizzate ad aumentare la durata operativa è raggiungere una endurance pari a 3.000 cicli di P/E, valore questo superiore a quello indicato dai benchmark fissati dall'industria automotive per le applicazioni di archiviazione dei sistemi IVI. L'integrità dei dati è assicurata dall'adozione di una tecnologia di correzione dell'errore migliore rispetto a quella comunemente impiegata nei dispositivi NAND destinati al mercato consumer. L'avanzato engine ECC (Error Correction Code) LDPC (Low Density Parity Check) di Silicon Motion permette di eliminare gli errori “soft” (temporanei) nelle operazioni di lettura e scrittura. La società prevede anche una protezione avanzata in scrittura che mette a disposizioni tre opzioni per la protezione: permanente, temporanea oppure all'accensione. Grazie a speciali procedure è possibile proteggere i dati nel caso si verifichino fenomeni di mancanza di alimentazione, evento questo relativamente comune in ambito automotive, assicurando che i dati che sono stati scritti durante l'interruzione dell'alimentazione vengano archiviati in modo sicuro prima che il dispositivo Ferri-UFS si arresti. Tali caratteristiche sono supportate da un codice di rilevamento dell'errore 8+1 utilizzato nella memoria SRAM di Ferri-UFS.
L'affidabilità della soluzione offerta da Silicon Motion si estende anche alle procedure messe a punto per la produzione e la spedizione, in grado di soddisfare i severi requisiti JIT (Just In Time) degli OEM che operano nel settore automotive. Tali misure prevedono la ridondanza in produzione, che viene assicurata da terze parti in ogni fase del processo di produzione, dai fornitori dei wafer per il controllore e la Flash NAND agli operatori che si occupano dell'assemblaggio dei chip, fino allo screening e all'assemblaggio dei moduli.
La serie Ferri-UFS soddisfa “in toto” i requisiti del settore automotive
Le applicazioni “data-intensive” (ovvero che richiedono grandi quantità di dati) a bordo di un veicolo, come a esempio i sistemi IVI, stanno vivendo un periodo di transizione per quanto concerne la tecnologia di archiviazione, con il passaggio dai dispositivi basati su eMMC ai nuovi prodotti UFS che utilizzano Flash NAND 3D TLC caratterizzate da una maggiore densità.
Silicon Motion ha introdotto la serie Ferri-UFS (SM671) che si propone come una soluzione in grado di soddisfare i più elevati standard di qualità e affidabilità e garantire nel contempo i livelli di prestazioni necessari per poter operare in maniera efficiente nei nuovi cruscotti digitali realizzati sfruttando un'architettura a singolo processore. Grazie a una maggiore integrità dei dati resa possibile dall'uso di un engine ECC LDPC avanzato, alle competenze nel settore delle Flash NAND di un'azienda di riferimento nel campo dei controllori per SSD/eMMC/UFS e a una supply chain affidabile e ridondante, la linea di prodotti Ferri-UFS rappresenta la soluzione ideale per implementare la tecnologia di archiviazione dei dati UFS ad alte prestazioni nei sistemi IVI e nelle altre applicazioni che richiedono notevoli risorse di calcolo che saranno presenti sui veicoli prossimi venturi.
