車內儲存裝置之突發斷電的測試與驗證

Allion Labs / Richard Shen

近年來隨著越來越多的電子產品被整合到汽車艙內和引擎蓋下,汽車內的電子產品也逐漸進步到聯網汽車、先進駕駛輔助系統(ADAS)、GPS導航,以及功能豐富的資訊娛樂系統。其中車用儲存裝置將會是未來汽車產業中不可或缺的一項關鍵零組件。舉例來說,它不僅適用於存儲資料也支援現代汽車系統的高速運算。此外,當自動駕駛汽車中的傳感器數量、傳感器的相應解析度、網路頻寬逐漸擴大時,龐大的數據量使用量將以GB/s起跳。

以下例子時常發生在我們的生活當中,但我們曾不察覺:在一天之內啟動/關閉車輛電源數次,然而在這種情形下我們可能不會意識到突然關閉電源可能造成資料遺失的嚴重性。NAND Flash的設計則起到了恢復作用,它能妥善避免電源關閉的突發狀況(Suddenly Power off, SPO),並可在狀況發生後迅速恢復資料。由於經常性的啟動/關閉電源會直接影響快閃儲存裝置的存放與恢復,因此成為了Flash製造商與車商最為關注的要點。

SSD 控制器(Flash Translation Layer,FTL)可維護各種中繼資料;例如,資料對應表、快閃頁面實體狀態的資訊、以及錯誤區塊資訊。而廠商所需面對的課題便是克服Flash的數據在突發斷電後在正確區塊做讀寫並能妥善存留。此外,SSD控制器在主記憶體的“快取”功能也相對重要,它能定期或在系統關機時同步至快閃記憶體,確保使用者資料與SSD中繼資料間的一致性。

現行常見的車內儲存裝置有分成以下幾種

TypeProtocolSpeed
SDSD10MB/s Class 10 624MB/s (UHS-III)
eMMCMMC140MB/s (eMMC 4.5)
PATA SSDATA167MB/s (UDMA 7)
SATA SSDSATA600 MB/s (SATA 3.0)
NVMe SSDNVMe3.94 GB/s (PCIe GEN 3 x4)

正常斷電與資料回寫的過程:

如果偵測到電源中斷,SSD會將所有快取的使用者資料和中繼資料傾印至NAND快閃記憶體,SSD甚至可以保護DRAM中的使用者資料,避免SSD在開啟快取時突然關閉電源(通常情況下,資料會受到保護的所有作業週期)。假使汽車每天進行數次的開/斷電動作,如果沒有做好一定的保護, SSD資料就會出問題。

Source: Viking Technology

Cap: Capacitor

FTL: Flash Translation Layer

百佳泰案例分析

廠商將SSD提供給警察數位執法使用,目的在於紀錄影像資料與搭配系統OS,並將其整合放置於警車內的AI智慧系統。根據客戶在連續使用數月後的回報系統中發現無法正確記錄/讀取SSD的數據資料。

Source: NYPD traffic enforcement

使用環境

不論廠商設計的是哪一種儲存裝置,汽車產業與其他市場應用需求有較明顯的差異。以NVM(Non-Volatile Memories)來說,最明顯的是工作溫度(介於-40° C至+150° C的環境)。而從上述的案例中我們分析因汽車在每天有多次的開關電源動作,導致備用電池故障並造成系統中的SSD資料損毀。

TypeFeatureNote
SSD TypemSATA 128GB SSD
Working TempDay Time: 25~ 40 degree Night : -10~20 degree
Working Time12~ 18 hours
Access TypeData Write 90% Read : 10%
Broken Cycle6-8 months
BatterySystem with lithium batteryThe battery was broken

由於系統電池損壞,操作系統在引擎電源關閉後造成無法正常關機。此外,意外發生的斷電損失期間,傳輸中的數據因無事先通知SSD,導致無法有效存儲或刷新到快閃記憶體。通常碰到這類型的情況,儲存在 SSD 中的資料不會正常更新,並可能會導致資料不相容、資料損毀,甚至裝置故障等問題。

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因應上述案件及百佳泰多年累積的測試經驗,我們設計了一套流程可以驗證SSD資料正確性,除可必免不必要的事故外,也能確保您的產品品質並符合消費者期待。

範例:從以下樣品的測試報告中我們可以發現

建議:

  • 汽車停放室外,溫度可能會高於80度,會造成電池和 NAND 老化。
  • 好的車用SSD中的控制器,FTL要能妥善處理斷電資料保存機制。
  • SSD中的超級電容是防止突然關機的重要元件,也是汽車存儲的關鍵零組件。
  • 汽車開機是日常工作流程,汽車SSD廠商應提供與車輛同等的保固週期。