挑戰(zhàn)UFS地位，車規(guī)級(jí)SSD硬盤標(biāo)準(zhǔn)已來

與電腦系統(tǒng)一樣，如今的車載計(jì)算系統(tǒng)也有硬盤，重要的數(shù)據(jù)和訓(xùn)練好的權(quán)重模型存在硬盤（即eMMC或UFS）里。UFS4.0版本的接口帶寬是23.2Gbps也就是2.9GB/s，遠(yuǎn)低于DRAM的帶寬，連LPDDR3都不如，eMMC就更低了，只有400MB/s。

目前電腦SSD硬盤是M.2接口居多，M.2跑PCIe 4.0的話帶寬是64Gb/s。有幾個(gè)定義需要分清，SSD指固態(tài)存儲(chǔ)，對(duì)應(yīng)的是以前的機(jī)械硬盤存儲(chǔ)或磁帶存儲(chǔ)，無論是車載的NVMe、PCIe還是手機(jī)的UFS，都是SSD。M.2是硬盤接口標(biāo)準(zhǔn)，可以對(duì)應(yīng)機(jī)械硬盤的SATA，也可以對(duì)應(yīng)固態(tài)硬盤的NVMe。NVMe是通訊協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，PCIe是物理層標(biāo)準(zhǔn)，SATA是接口類型，機(jī)械硬盤的通訊協(xié)議是AHCI，手機(jī)的UFS使用的是MIPI的M-PHY物理層，SCSI-SAM通訊協(xié)議。今天我們說的車規(guī)級(jí)SSD硬盤指的是PCIe做物理層，NVMe做通訊協(xié)議的固態(tài)硬盤。

每次運(yùn)算的時(shí)候，CPU發(fā)出指令，權(quán)重模型從UFS中被取出暫存在DRAM中，如果有顯存的話，就放在顯存里，通常顯存比共享DRAM帶寬要高得多，這樣每次運(yùn)算就無需從UFS中取出，這也是DRAM和顯存存在的意義，它的速度比UFS快太多了。

存儲(chǔ)行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)制定者JEDEC在2022年11月通過了JESD312標(biāo)準(zhǔn)，12月14日正式公開發(fā)布。JESD312定義了用于汽車和類似應(yīng)用的SSD封裝、協(xié)議、環(huán)境要求和電氣接口。車用SSD將使用BGA形式直接貼裝在PCB板上，尺寸不大于28 x 28毫米，使用PCIe 4.0 x4接口提供最高8GB/s的峰值傳輸速率。

JESD312充分考慮汽車電子架構(gòu)變化，以軟件定義汽車，中央計(jì)算架構(gòu)為目標(biāo)，允許分割存儲(chǔ)陣列。

來源：JEDEC

JESD312將操作系統(tǒng)與應(yīng)用代碼分開，并支持單根輸入/輸出虛擬化（SR-IOV，全稱SingleRoot I/O Virtualization），用于許多處理器共享SSD資源的應(yīng)用。

為什么要用車規(guī)級(jí)SSD，UFS不是SSD么？UFS當(dāng)然也可以算是SSD，但UFS太慢了，而車規(guī)級(jí)SSD采用的是PCIe標(biāo)準(zhǔn)，PCIe的彈性空間極大，潛力巨大。JESD312確定的是PCIe 4.0標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)際其包含多個(gè)速率，4通道是最低的PCIe 4.0標(biāo)準(zhǔn)，16通道雙工可以到64GB/s，而PCIe5.0標(biāo)準(zhǔn)已在2019年發(fā)布了，PCIe5.0將信號(hào)速率翻倍到了32GT/s，x16雙工帶寬更是接近128GB/s。極高的信號(hào)速率，使得PCIe5.0能夠更好支持對(duì)吞吐量要求高的高性能設(shè)備，如用于AI的GPU、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等。PCIe 6.0標(biāo)準(zhǔn)也已在2022年初發(fā)布，單工達(dá)到128GB/s的帶寬。PCI-SIG的目標(biāo)是大約每3年將PCIe帶寬翻一番。

UFS的速度太慢，特別是UFS標(biāo)準(zhǔn)的升級(jí)速度也慢。2018年1月，JEDEC發(fā)布UFS3.0標(biāo)準(zhǔn)，2022年8月才有UFS4.0標(biāo)準(zhǔn)。所以UFS的速率是永遠(yuǎn)追不上PCIe的，差距會(huì)越來越大。除了速率帶寬UFS太慢外，UFS還需要考慮體積和功耗，因此UFS通常都是單芯片，功耗盡量低。汽車領(lǐng)域體積和功耗都可以放寬些，PCIe SSD通常是多芯片并行，可以滿足許多汽車領(lǐng)域的特別需求，UFS就無能為力了。

來源：NVM Express

NVMe支持超長(zhǎng)隊(duì)列，可以大幅緩解并行計(jì)算時(shí)存儲(chǔ)瓶頸問題。

現(xiàn)在汽車Infotainment、T-Box、儀表和ADAS域都有分散存儲(chǔ)，數(shù)量眾多。中央計(jì)算時(shí)代，存儲(chǔ)需要統(tǒng)一到中央計(jì)算器上，PCIe是最佳選擇，如上圖所示，通過PCIe交換機(jī)將SSD連接在中央SoC計(jì)算單元上。

PCIe完美支持中央計(jì)算架構(gòu)， JESD312還有SR-IOV （Single Root I/O Virtualization）特色，針對(duì)虛擬機(jī)。在虛擬機(jī)中，一切皆虛擬。比如網(wǎng)卡，虛擬機(jī)看來好像有一個(gè)真實(shí)網(wǎng)卡，但這個(gè)網(wǎng)卡是宿主機(jī)虛擬出來的硬件，也就是一堆軟件代碼而已，沒有真實(shí)硬件。車載系統(tǒng)的儀表、T-Box、ADAS域、座艙域不可能都裝一個(gè)PCIe網(wǎng)卡，為解決這個(gè)問題，Intel提出了SR-IOV。SR-IOV最初應(yīng)用在網(wǎng)卡上。簡(jiǎn)言之，就是一個(gè)物理網(wǎng)卡可以虛擬出來多個(gè)輕量化的PCI-e物理設(shè)備，從而可以分配給虛擬機(jī)使用。

最主要的還是PCIe對(duì)汽車功能安全或者說ISO26262支持度很高，不是UFS能比的。

來源：PCI-SIG

PCIe有兩個(gè)錯(cuò)誤檢查功能，一個(gè)是LCRC，另一個(gè)是ECRC。其中LCRC是Link CRC，是用來檢測(cè)在兩個(gè)設(shè)備之間的鏈路（Link）上發(fā)生的錯(cuò)誤，這些錯(cuò)誤大多是由于物理層的信號(hào)質(zhì)量問題引起的。

因?yàn)閮H是針對(duì)Link和互聯(lián)的兩個(gè)設(shè)備，LCRC換個(gè)說法也可以叫Local CRC。當(dāng)TLP報(bào)文通過Switch時(shí)，在入口（ingress port）被DLL層校驗(yàn)LCRC。而在Switch的出口（egress port）會(huì)重新生成LCRC。當(dāng)接收端檢測(cè)到TLP報(bào)文的LCRC不正確時(shí)，將會(huì)發(fā)送一個(gè)NAK報(bào)文給發(fā)送端，要求重傳此TLP。因此，LCRC錯(cuò)誤是可修正錯(cuò)誤，因?yàn)榭梢酝ㄟ^重傳來修正。

ECRC是End-to-End CRC，是檢測(cè)TLP報(bào)文的內(nèi)容在Requester和Completer之間的路徑上是否損壞。例如switch在轉(zhuǎn)發(fā)TLP報(bào)文時(shí)由于某些bug發(fā)生了數(shù)據(jù)不一致。

ECRC是requester/initiator的TL層生成的。如果Completer檢測(cè)到ECRC錯(cuò)誤，會(huì)上報(bào)通知系統(tǒng)處理。并沒有重傳機(jī)制，因此是不可修正錯(cuò)誤。當(dāng)TLP報(bào)文進(jìn)入Switch時(shí)，Switch并不會(huì)修改ECRC，并完整把TLP報(bào)文發(fā)出去。換言之，TLP經(jīng)過路徑上的Switch內(nèi)容不會(huì)發(fā)生任何改變，甚至ECRC是錯(cuò)誤的，Switch也視而不見繼續(xù)發(fā)出去。TLP的錯(cuò)誤，需要軟件參與，由上層軟件決定是否重發(fā)。

來源：PCI-SIG

PCIe還有個(gè)更復(fù)雜的AER（高級(jí)錯(cuò)誤報(bào)告），這個(gè)異常復(fù)雜的安全機(jī)制牽涉面很廣，其中包括了復(fù)雜的Linux內(nèi)核協(xié)助，如ACPI PCI驅(qū)動(dòng)和ARCH PCI驅(qū)動(dòng)，還包括物理層。具體的原理無法展開描述。簡(jiǎn)單地說它可以方便我們準(zhǔn)確的定位，糾正和分析錯(cuò)誤，增強(qiáng)系統(tǒng)的健壯性和可靠性，輕松達(dá)到ASIL-D級(jí)。

PCIe總線也能保證整個(gè)系統(tǒng)的安全性。

PCIe非常適合車載應(yīng)用，順便說一句，PCIe總線是英特爾在1992年發(fā)明的，距今已超30年，但活力依舊很旺盛。

來源：NVM Express

除了PCIe的安全性，JESD312還加了SPDM安全協(xié)議，采用384bit最小安全協(xié)議，保證網(wǎng)絡(luò)安全萬無一失。

JESD312還特別按應(yīng)用類型做了分類，一類是私家車，另一類是商用車。DWPD是另一個(gè)耐久度指標(biāo)，主要用于企業(yè)級(jí)SSD。DWPD確定用戶在保修期內(nèi)每天可以重寫驅(qū)動(dòng)器的容量，私家車是每天0.31TB，即310GB，商用車是0.24TB，即240GB，還有一個(gè)TBW，即在保修期內(nèi)的最高寫入數(shù)據(jù)量，私家車是200TB，商用車是12.8TB。實(shí)際就算是最頂級(jí)的智能駕駛加智能座艙，每天寫入的數(shù)據(jù)也不會(huì)超過1GB，JESD312留了幾百倍的余量。

如果你實(shí)在不放心，那么還有選配。

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