车规级SSD硬盘标准已来

与电脑系统一样，如今的车载计算系统也有硬盘，重要的数据和训练好的权重模型存在硬盘（即eMMC或UFS）里。UFS4.0版本的接口带宽是23.2Gbps也就是2.9GB/s，远低于DRAM的带宽，连LPDDR3都不如，eMMC就更低了，只有400MB/s。

目前电脑SSD硬盘是M.2接口居多，M.2跑PCIe 4.0的话带宽是64Gb/s。有几个定义需要分清，SSD指固态存储，对应的是以前的机械硬盘存储或磁带存储，无论是车载的NVMe、PCIe还是手机的UFS，都是SSD。M.2是硬盘接口标准，可以对应机械硬盘的SATA，也可以对应固态硬盘的NVMe。NVMe是通讯协议标准，PCIe是物理层标准，SATA是接口类型，机械硬盘的通讯协议是AHCI，手机的UFS使用的是MIPI的M-PHY物理层，SCSI-SAM通讯协议。今天我们说的车规级SSD硬盘指的是PCIe做物理层，NVMe做通讯协议的固态硬盘。

每次运算的时候，CPU发出指令，权重模型从UFS中被取出暂存在DRAM中，如果有显存的话，就放在显存里，通常显存比共享DRAM带宽要高得多，这样每次运算就无需从UFS中取出，这也是DRAM和显存存在的意义，它的速度比UFS快太多了。

存储行业的标准制定者JEDEC在2022年11月通过了JESD312标准，12月14日正式公开发布。JESD312定义了用于汽车和类似应用的SSD封装、协议、环境要求和电气接口。车用SSD将使用BGA形式直接贴装在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的峰值传输速率。

JESD312充分考虑汽车电子架构变化，以软件定义汽车，中央计算架构为目标，允许分割存储阵列。

来源：JEDEC

JESD312将操作系统与应用代码分开，并支持单根输入/输出虚拟化（SR-IOV，全称SingleRoot I/O Virtualization），用于许多处理器共享SSD资源的应用。

为什么要用车规级SSD，UFS不是SSD么？UFS当然也可以算是SSD，但UFS太慢了，而车规级SSD采用的是PCIe标准，PCIe的弹性空间极大，潜力巨大。JESD312确定的是PCIe 4.0标准，实际其包含多个速率，4通道是最低的PCIe 4.0标准，16通道双工可以到64GB/s，而PCIe5.0标准已在2019年发布了，PCIe5.0将信号速率翻倍到了32GT/s，x16双工带宽更是接近128GB/s。极高的信号速率，使得PCIe5.0能够更好支持对吞吐量要求高的高性能设备，如用于AI的GPU、网络设备等。PCIe 6.0标准也已在2022年初发布，单工达到128GB/s的带宽。PCI-SIG的目标是大约每3年将PCIe带宽翻一番。

UFS的速度太慢，特别是UFS标准的升级速度也慢。2018年1月，JEDEC发布UFS3.0标准，2022年8月才有UFS4.0标准。所以UFS的速率是永远追不上PCIe的，差距会越来越大。除了速率带宽UFS太慢外，UFS还需要考虑体积和功耗，因此UFS通常都是单芯片，功耗尽量低。汽车领域体积和功耗都可以放宽些，PCIe SSD通常是多芯片并行，可以满足许多汽车领域的特别需求，UFS就无能为力了。

来源：NVM Express

NVMe支持超长队列，可以大幅缓解并行计算时存储瓶颈问题。

现在汽车Infotainment、T-Box、仪表和ADAS域都有分散存储，数量众多。中央计算时代，存储需要统一到中央计算器上，PCIe是最佳选择，如上图所示，通过PCIe交换机将SSD连接在中央SoC计算单元上。

PCIe完美支持中央计算架构， JESD312还有SR-IOV （Single Root I/O Virtualization）特色，针对虚拟机。在虚拟机中，一切皆虚拟。比如网卡，虚拟机看来好像有一个真实网卡，但这个网卡是宿主机虚拟出来的硬件，也就是一堆软件代码而已，没有真实硬件。车载系统的仪表、T-Box、ADAS域、座舱域不可能都装一个PCIe网卡，为解决这个问题，Intel提出了SR-IOV。SR-IOV最初应用在网卡上。简言之，就是一个物理网卡可以虚拟出来多个轻量化的PCI-e物理设备，从而可以分配给虚拟机使用。

最主要的还是PCIe对汽车功能安全或者说ISO26262支持度很高，不是UFS能比的。

来源：PCI-SIG

PCIe有两个错误检查功能，一个是LCRC，另一个是ECRC。其中LCRC是Link CRC，是用来检测在两个设备之间的链路（Link）上发生的错误，这些错误大多是由于物理层的信号质量问题引起的。

因为仅是针对Link和互联的两个设备，LCRC换个说法也可以叫Local CRC。当TLP报文通过Switch时，在入口（ingress port）被DLL层校验LCRC。而在Switch的出口（egress port）会重新生成LCRC。当接收端检测到TLP报文的LCRC不正确时，将会发送一个NAK报文给发送端，要求重传此TLP。因此，LCRC错误是可修正错误，因为可以通过重传来修正。

ECRC是End-to-End CRC，是检测TLP报文的内容在Requester和Completer之间的路径上是否损坏。例如switch在转发TLP报文时由于某些bug发生了数据不一致。

ECRC是requester/initiator的TL层生成的。如果Completer检测到ECRC错误，会上报通知系统处理。并没有重传机制，因此是不可修正错误。当TLP报文进入Switch时，Switch并不会修改ECRC，并完整把TLP报文发出去。换言之，TLP经过路径上的Switch内容不会发生任何改变，甚至ECRC是错误的，Switch也视而不见继续发出去。TLP的错误，需要软件参与，由上层软件决定是否重发。

来源：PCI-SIG

PCIe还有个更复杂的AER（高级错误报告），这个异常复杂的安全机制牵涉面很广，其中包括了复杂的Linux内核协助，如ACPI PCI驱动和ARCH PCI驱动，还包括物理层。具体的原理无法展开描述。简单地说它可以方便我们准确的定位，纠正和分析错误，增强系统的健壮性和可靠性，轻松达到ASIL-D级。

PCIe总线也能保证整个系统的安全性。

PCIe非常适合车载应用，顺便说一句，PCIe总线是英特尔在1992年发明的，距今已超30年，但活力依旧很旺盛。

除了PCIe的安全性，JESD312还加了SPDM安全协议，采用384bit最小安全协议，保证网络安全万无一失。

JESD312还特别按应用类型做了分类，一类是私家车，另一类是商用车。DWPD是另一个耐久度指标，主要用于企业级SSD。DWPD确定用户在保修期内每天可以重写驱动器的容量，私家车是每天0.31TB，即310GB，商用车是0.24TB，即240GB，还有一个TBW，即在保修期内的最高写入数据量，私家车是200TB，商用车是12.8TB。实际就算是最顶级的智能驾驶加智能座舱，每天写入的数据也不会超过1GB，JESD312留了几百倍的余量。

如果你实在不放心，那么还有选配。