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软件定义车辆的出现导致采用通用闪存 (UFS) 作为汽车行业嵌入式存储的首选解决方案。与 eMMC 等传统存储解决方案相比，UFS 具有多种优势，包括超大容量、高带宽、低功耗运行、可靠性和安全性。在本白皮书中，我们将探讨 UFS 对汽车应用的好处、UFS 技术规格及其对软件定义车辆的未来的影响。
汽车行业经历了从机械驱动时代到全面电气化以及从基本自动化到完全自动驾驶的显著转变。新一代汽车具有虚拟显示器、时尚的用户界面以及无缝的车载和 V2X (Vehicle-to-everything) 连接，为驾驶员提供全新的舒适性、安全性和便利性。未来的汽车将升级现有功能、即插即用新功能，并通过更新软件来不断演变。汽车行业向软件定义车辆的演变类似于智能手机的演变，需要增强智能手机中的处理、传感和存储功能。
McKinsey 的一项研究表明，虽然乘用车和 LCV（轻型商用车）的销量将从 2019 年的 8900 万辆小幅增长到 2023 年的 1.02 亿辆（年复合增长率约为 1%），但汽车软件和电子市场的预计增长速度约为其 4 倍。在汽车软件方面，这个市场预计将从 2019 年的 310 亿美元增长到 2030 年的约 800亿 美元，年复合增长率 > 9%。ADAS / AD 软件，以及信息娱乐、连接、安全和连接服务将成为主要增长方面。
图 1： McKinsey 研究展示了汽车软件和 E/E (Electrical/Electronic) 架构的市场趋势
来源：Mckinsey 2023 年 1 月
存储聚集
汽车行业全新的硬件功能和极高的软件需求正在推动对存储设备的极致需求。Counterpoint 报告称，在当前十年中，汽车的存储容量是 2TB 到 11TB 不等。正如预期的那样，ADAS 和信息娱乐 (IVI)/数字驾驶舱系统将引领对存储的需求。
图 2：2025 NAND 存储图
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ADAS 系统需要实时收集、存储、分析、处理和传输有关复杂道路状况和驾驶环境的大量信息。随着从辅助系统到自动驾驶系统的演变，传感器的数量不断增加，所收集的信息量正在飙升。同样，车载信息娱乐 (IVI) 系统正在转变为由数字驾驶舱系统管理的大型屏幕和“拟人”界面，该系统控制从外部通信 (V2x) 到内部 HMI (Human Machine Interaction) 和娱乐的所有内容，对大型快速存储有广泛的需求。
汽车存储解决方案
基于 NVMe 的 SSD 正在逐步应用于 ADAS L5 日志记录和传感器融合等应用中的高端存储容量 (>1TB)。在数据存储领域的低端 (32GB-256GB)，eMMC一直是传统的存储介质。然而，eMMC 无法满足最新 ADAS 和 IVI 系统的急剧发展要求。在这些系统中，更大的存储容量（x2 至 x4 倍）正在成为常态。除了需要大容量外，这些庞大的数据块还需要在主机处理器和闪存设备之间不断移动。主机和闪存设备之间的接口带宽成为了高效传输的瓶颈或促成因素。传统基于 eMMC 的存储介质的最大容量为 256GB，最大数据速率为 400MBps，其适用性受到很大限制。
UFS - 最可行的嵌入式存储选项，高达 1TB
UFS 是移动设备数据存储的流行标准，也是现代汽车中满足大型和快速存储需求的最佳选择。UFS 目前提供高达 1TB 的存储容量。标准化机构（JEDEC 和 MIPI）在过去十年中一直在推进 UFS 标准的数据速率和功能。
图 3： UFS 系统标准演变
随着对 UFS 4.0 的需求开始出现，当今市场上经过硅验证的汽车解决方案支持 UFS 3.0，从而可通过 2 条通道达到 2.9GBps。鉴于该接口是双向的，我们讨论的 UFS 速度超过 eMMC 传输速度的 6 倍。该数据速率超过 5G 传输速率 (2.5GBps)，当数据在闪存设备和主机处理器以外的外部系统之间进行传输时，可在主机处理器内部实现较小的内部存储器。
不止是接口速度，闪存写入速度也在不断变化。JEDEC 通过在 UFS 3.1 中引入写入助推功能来增强写入性能，该功能在闪存设备中添加了一个小型伪 SLC 缓存，以便于轻松重复访问。
在噪声管理方面，UFS 也优于 eMMC。与 eMMC 采用单端传输不同，UFS 接口采用差分传输，使系统对传输错误和噪声更具弹性，这意味着错误数据解析和/或需要重新传输的概率更低。差分信号还提供了更好的 EMI 性能，因此在系统级别更容易通过汽车 EMC 标准 CISPR 25。
汽车存储的损坏风险远高于消费级存储。车辆行为的稳定性和可靠性是消费者和制造商非常关注的问题。汽车存储的损坏风险远高于消费级存储。UFS 允许存储设备向主机报告较大的温度变化，从而降低存储设备的整体磨损风险。当存储设备指示报警温度时，主机可以节流或采取措施来冷却设备温度。
低功率运行是电子器件减少碳足迹和延长电池寿命所必须遵循的要求。UFS 通过差分信号以及切换到深度睡眠模式来实现这一点。
此外，考虑到汽车对人类和资产寿命带来的风险，安全已成为汽车行业的重中之重。随着汽车外部连接渗透率的增加，安全攻击面也随之增加。黑客可能会发送虚假信息，从而给车载通信带来麻烦。比如启用/禁用汽车、显示不正确的导航信息、打开/关闭灯光、使用音频分散驾驶员的注意力、生成虚假仪表板警报或完全接管对汽车的控制。这些威胁使安全机制在系统设计中变得至关重要。UFS 的标准机构 JEDEC 引入了对内联加密的支持，防止了该规范原生的窃听和中间人攻击。提出了强大的加密机制，以允许跨主机和设备组合的标准化。加密方案支持是 UFS 和 eMMC 之间的关键区别，使前者更适合 ADAS 和黑盒实现。
总之，UFS 是智能手机中最受青睐的数据存储，显而易见，同时也是满足现代软件定义车辆存储要求的赢家。
Synopsys 的 UFS 产品
Synopsys 一直是 UFS IP 的先驱，在控制器和 PHY 方面提供支持最高级规范（UFS 4.0、Unipro 2.0 和 MPHY 5.0)的产品。我们的汽车 MPHY 产品已经过 2 级（-40 至 105 度）AEC Q100 认证，支持先进的 7nm 和 5nm 工艺节点。我们的 UFS 3.0 控制器拥有 ASIL-B 安全等级，具有一整套 FuSa 交付物，并已经过硅验证，可快速设计到下一个汽车项目中。我们持续关注 UFS，并制定详尽的路线图，以满足客户在该市场中的设计需求。
SNPS UFS 解决方案的主要特点：
- 符合 MIPI M-PHY v5.0 或 M-PHY v4.1 规范 M-PHY Type-I
- MPHY 支持高速 (HS) Gear1、Gear2、Gear3、Gear4、Gear5 A/B 模式和低速脉冲宽度调制 (PWM) Gear1 到 Gear5，采用 Type-I LS 实现。
- UFS 主机控制器 IP 可将 UFS 主机控制器应用层与预先配置的 Synopsys MIPI® UniPro 协议栈进行集成
- UFS 控制器支持 UFSHCI 规范的内联加密部分，并实现具有 256/128 密钥长度的 AES-XTS Block 密钥，以实现最大安全性。
- 支持满足指定 ISO 26262 ASIL 等级的随机硬件故障指标。
- DFMEA (Design failure mode and effect analysis)
- FMEDA (Failure Modes Effects and Diagnostic Analysis)
- 安全手册
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