Angesichts der rasanten Weiterentwicklung intelligenter Fahrtechnologien sind die Erfassung und Speicherung von Testdaten aus der Praxis zu einem entscheidenden Engpass geworden, der die Entwicklung der Branche behindert. Dieser Artikel bietet eine eingehende Analyse von Speicherlösungen auf Basis von PCIe-Switch-Festplattenerweiterungskarten, U.2-Erweiterungskarten und M.2-Erweiterungskarten. Der Schwerpunkt liegt darauf, wie die SSD-Hot-Swap-Technologie einen nahtlosen Austausch von Festplatten ohne Betriebsunterbrechung ermöglicht und damit Anbietern von End-to-End-Lösungen für autonomes Fahren beim Aufbau einer effizienten Dateninfrastruktur hilft.

I. Marktnachfrage nach Datenspeicherlösungen für intelligentes Fahren

Prognosen von Branchenforschungsinstituten zufolge wird die weltweite Zahl der Testfahrzeuge für autonomes Fahren bis 2025 die Marke von 100.000 überschreiten. Anbieter von Lösungen für autonomes Fahren – vertreten durch ein bestimmtes Unternehmen – setzen derzeit groß angelegte Testflotten ein. Jede Flotte umfasst in der Regel mehr als 15 Testfahrzeuge, die jeweils mit einer Vielzahl von Sensoren wie Lidar, hochauflösenden Kameras und Millimeterwellenradar ausgestattet sind.

Die Menge an Daten, die diese Sensoren täglich generieren, ist erstaunlich:

• LiDAR: Hunderttausende von Punkten in der Punktwolke pro Sekunde, wobei das tägliche Datenvolumen 5–10 TB erreicht.

• HD-Kamera: Mehrere 4K/8K-Videostreams, die täglich 8–15 TB Datenvolumen erzeugen.

• Millimeterwellenradar und CAN-Bus: Kontinuierlicher Datenstrom, 1–3 TB pro Tag

Herkömmliche SATA-SSDs oder mechanische Festplatten können die Anforderungen an eine derart hohe Bandbreite und Schreibvorgänge mit großem Datenvolumen nicht mehr erfüllen. Das NVMe-Protokoll in Verbindung mit der schnellen PCIe-Schnittstelle ist mittlerweile unverzichtbar geworden, während Festplatten-Erweiterungskarten eine zentrale Rolle bei der Realisierung von Speicherlösungen mit großer Kapazität und hoher Zuverlässigkeit spielen.

II. Ausführliche Erläuterung der Technologie von PCIe-Switch-Festplattenerweiterungskarten

Die PCIe-Switch-Erweiterungskarte für Festplatten ist eine zentrale Komponente von Speichersystemen in Fahrzeugen. Sie dient dazu, die PCIe-Signale vom Industrie-PC auf mehrere SSDs zu verteilen und zu verlängern, wodurch eine flexible Erweiterung der Speicherkapazität ermöglicht wird.

2.1 Funktionsweise des PCIe-Switch-Chips

Ein PCIe-Switch-Chip ist ein Hochgeschwindigkeits-Signalumschalter, der Upstream-PCIe-Ports dynamisch mehreren Downstream-Geräten zuweisen kann. In Speicheranwendungen für die Automobilindustrie weisen PCIe-Switch-Erweiterungskarten in der Regel die folgende Architektur auf:

• Upstream-Anschluss: Wird über einen PCIe-x16-Steckplatz mit der CPU des industriellen Bord-PCs verbunden und empfängt Hochgeschwindigkeits-Datenströme.

• Switch-Kern: Ein PCIe-Switch-Chip, der eine intelligente Paketweiterleitung und Bandbreitenzuweisung ermöglicht.

• Downstream-Anschluss: Stellt über die MCIO-Schnittstelle mehrere PCIe-x4-Lanes bereit, die an U.2- oder M.2-SSDs angeschlossen werden können.

• U.2-Erweiterungskarte: Basiert auf dem Standard-2,5-Zoll-Formfaktor und unterstützt die SFF-8639-Schnittstelle. U.2-SSDs bieten Vorteile wie hohe Speicherkapazität, hervorragende Wärmeableitung und Unterstützung für Hot-Swapping. Ein einzelnes Laufwerk kann eine Kapazität von 16 TB oder mehr erreichen, was sie ideal für Feldtestszenarien macht, die einen häufigen Austausch von Speichermedien erfordern.

Bei Testfahrten im Bereich des autonomen Fahrens, bei denen häufige Festplattenwechsel erforderlich sind und eine hohe Speicherkapazität benötigt wird, sind U.2-Erweiterungskarten die bessere Wahl.

III. Technologien für den Hot-Swap von Festplatten und SSDs

Der Begriff „Hot-Swapping“ von Festplatten bezeichnet eine Technologie, die es ermöglicht, Speichermedien sicher einzubauen oder zu entfernen, während das Gerät in Betrieb ist. Bei Testfahrten im Bereich des autonomen Fahrens kann die SSD-Hot-Swapping-Funktion die Testeffizienz erheblich steigern und Testunterbrechungen verhindern, die durch den Austausch von Festplatten verursacht werden.

3.1 Das Prinzip der Hot-Swap-Technologie

Um einen zuverlässigen Hot-Swap von Festplatten zu gewährleisten, ist ein abgestimmtes Vorgehen auf drei Ebenen erforderlich: Hardware, Firmware und Software.

• Hardware-Ebene: Der PCIe-Switch-Chip unterstützt die dynamische Aktivierung und Deaktivierung auf Port-Ebene; die U.2-Festplatten-Backplane verfügt über eine Schaltung zur Steuerung der Stromzufuhr, um sicherzustellen, dass Stromspitzen beim Einstecken und Herausnehmen unter Kontrolle bleiben; die MCIO-Schnittstelle zeichnet sich durch ein ausfallsicheres Design aus, das zuverlässige Verbindungen gewährleistet.

• Firmware-Ebene: Das Festplattengehäuse ist mit einem Hot-Swap-fähigen Controller ausgestattet, der den Ein- und Ausbaustatus jedes Laufwerksschachts in Echtzeit überwacht und das System über Interrupt-Signale benachrichtigt, um Hot-Plug-Ereignisse für die Geräte zu verarbeiten.

• Softwareebene: Der Betriebssystemkern unterstützt das Hot-Plugging von NVMe-Geräten; das Dateisystem kann Speichervolumes sicher aushängen und wieder einhängen; und Anwendungen können auf Ereignisse im Zusammenhang mit Geräteänderungen reagieren und entsprechende Aktionen ausführen.

3.2 Vorgehensweise beim Hot-Swapping

Am Beispiel einer Flotte von 15 Testfahrzeugen eines bestimmten Unternehmens sieht die Standardvorgehensweise für den Hot-Swap von SSDs wie folgt aus:

Schritt 1: Kapazitätsüberwachung. Das System-Backend überwacht kontinuierlich und in Echtzeit die verbleibende Kapazität jeder SSD. Sobald der Speicherplatz unter einen voreingestellten Schwellenwert (z. B. 20 %) fällt, wird automatisch eine Warnmeldung an die Techniker gesendet.

Schritt 2: Sicheres Aushängen. Der Techniker wählt die Zielfestplatte über die Verwaltungsschnittstelle aus und führt einen sicheren Aushängevorgang durch. Das System schließt das Leeren des Arbeitsspeichers, die Cache-Synchronisierung und das Aushängen des Dateisystems ab und gewährleistet so die Datenintegrität.

Schritt 3: Mechanischer Austausch. Dank des EZ-Slide-Ausziehmechanismus des Festplattengehäuses können die Techniker den Austausch vornehmen, während das Fahrzeug mit geringer Geschwindigkeit fährt.

Entnehmen Sie beim Fahren oder kurzzeitigen Parken die volle Festplatte umgehend und setzen Sie eine neue ein. Die LED-Statusanzeige zeigt den Betriebsstatus jedes Festplattenfachs in Echtzeit an.

Schritt 4: Automatische Erkennung. Sobald das System das Einlegen einer neuen Festplatte erkennt, führt es automatisch die Initialisierung des NVMe-Geräts, die Partitionierung und die Einbindung des Dateisystems durch. Das Schreiben von Daten wird sofort fortgesetzt, und der gesamte Vorgang erfordert keinerlei manuellen Eingriff.

IV. Eine umfassende End-to-End-Lösung für intelligente Fahrdaten

Mit Hot-Swap-fähigen Speicherlösungen auf Basis von PCIe-Switch-Festplattenerweiterungskarten und U.2-Erweiterungskarten können Anbieter von Lösungen für autonomes Fahren ein vollständiges Daten-Closed-Loop-System aufbauen.

4.1 Fahrzeugseitige Entfaltung

Jedes Testfahrzeug ist mit einer PCIe-Switch-Erweiterungskarte ausgestattet, die über einen PCIe-x16-Steckplatz mit dem bordeigenen Industriecomputer verbunden ist. Die Erweiterungskarte ist über MCIO-Hochgeschwindigkeitskabel mit einem U.2-Festplattengehäuse mit 8 Einschüben verbunden, das im 5,25-Zoll-Laufwerksschacht installiert ist. Das Gehäuse beherbergt acht U.2-NVMe-SSDs mit hoher Kapazität, wobei jedes Laufwerk mit einer Kapazität von 4 TB, 8 TB oder 16 TB erhältlich ist. Die maximale Speicherkapazität pro Gerät kann bis zu 128 TB betragen.

4.2 Datenerhebung und Ausarbeitung

Bei Testfahrten erfasst der Industrie-PC in Echtzeit mehrkanalige Sensordaten, darunter LiDAR-Punktwolken, hochauflösende Videos und Radarsignale. Die Daten werden über einen PCIe 5.0-Hochgeschwindigkeitskanal auf eine U.2-SSD geschrieben. Dank der Gesamtbandbreite von 64 GB läuft der Prozess auch dann reibungslos und ohne Bildausfälle oder Latenz, wenn mehrere 4K-Videostreams gleichzeitig geschrieben werden.

4.3 Austausch von Festplatten im laufenden Betrieb und Datenübertragung

Wenn der Speicherplatz der Festplatte fast erschöpft ist, tauschen die Techniker die SSD mithilfe der Hot-Swap-Funktion der Festplatte schnell aus – ohne das Fahrzeug anzuhalten, sodass die Tests unterbrechungsfrei fortgesetzt werden können. Die ausgetauschte, volle Festplatte wird dann in eine U.2-Backplane mit 24 Einschüben auf einem lokalen Server eingesetzt und über ein 10-Gigabit-Netzwerk mit hoher Geschwindigkeit in ein Cloud-Rechenzentrum hochgeladen.

4.4 Cloud-basierte Datenanalyse

In der Cloud werden die proprietären Algorithmenprogramme der Kunden ausgeführt, um die gesammelten Daten eingehend zu analysieren: Durch die Datenbereinigung werden ungültige Informationen entfernt, die Szenarioextraktion identifiziert die wichtigsten Fahrszenarien, die automatische Annotation generiert Trainingsbeispiele und das Modelltraining optimiert die Wahrnehmungs- und Entscheidungsalgorithmen. Das optimierte Modell wird anschließend per OTA wieder in die Fahrzeuge bereitgestellt, wodurch ein geschlossener Datenkreislauf entsteht.

 V. Wesentliche Vorteile des Plans

• Hohe Leistung: Die PCIe-Switch-Erweiterungskarte bietet eine Gesamtbandbreite von 64 GB. Da die Leistung von PCIe 5.0 doppelt so hoch ist wie die von PCIe 4.0, erfüllt sie die Schreibanforderungen zukünftiger Sensoren mit noch höheren Auflösungen.

• Hohe Kapazität: Die U.2-Erweiterungskarte unterstützt SSDs der Enterprise-Klasse mit hoher Kapazität und einer maximalen Speicherkapazität von 128 TB pro Gerät, wodurch sie den Anforderungen ausgedehnter Feldtests gerecht wird.

• Hot-Swap-fähig: Das Hot-Swap-Konzept der SSD ermöglicht den Austausch der Festplatte, ohne das Fahrzeug anzuhalten, wodurch die Effizienz bei Testfahrten um mehr als 30 % gesteigert und die Betriebskosten der Flotte deutlich gesenkt werden.

• Hohe Zuverlässigkeit: Vollmetall-ToughArmor-Konstruktion, vibrationsfestes Design und großer Betriebstemperaturbereich (0 °C bis 70 °C), geeignet für raue Umgebungsbedingungen im Fahrzeug.

• Einfache Wartung: EZ-Slide-Schubladendesign, LED-Statusanzeigen und Hot-Swap-fähige Festplatten, die von einer einzigen Person ausgetauscht werden können.

• Skalierbar: Der modulare Aufbau ermöglicht den gleichzeitigen Einsatz von bis zu 15 Fahrzeugen, und die MCIO-Schnittstelle erleichtert Systemerweiterungen und -upgrades.

VI. Branchenausblick

Mit dem Fortschritt der Technologie für autonomes Fahren in Richtung der Stufen L3 und L4 wird das Volumen der Daten aus Fahrversuchen exponentiell ansteigen. Die breite Einführung der PCIe-5.0-Technologie bietet reichlich Leistungsreserven für die Speicherung im Fahrzeug, während das Hot-Swap-fähige Festplatten-Design die Herausforderung der kontinuierlichen Datenerfassung bewältigt.

Für Anbieter von umfassenden Lösungen für autonomes Fahren, die auf PCIe-Switch-Festplattenerweiterungskarten und U.2-Erweiterungskarten basieren,

Speicherlösungen mit Hot-Swap-fähiger SSD-Technologie sind nicht nur ein wirksames Mittel zur Beseitigung aktueller Speicherengpässe, sondern auch eine strategische Investition in den langfristigen Wettbewerbsvorteil im Datenbereich.

In den späteren Phasen des Wettbewerbs um autonomes Fahren wird die Fähigkeit, einen geschlossenen Datenkreislauf zu realisieren, über die Kernwettbewerbsfähigkeit eines Unternehmens entscheiden. Die Wahl einer zuverlässigen, effizienten und skalierbaren Speicherinfrastruktur ist eine entscheidende Entscheidung, die jedes Unternehmen im Bereich des autonomen Fahrens vorrangig treffen muss.