自動運転技術の急速な進化に伴い、実走データの収集と保存は、業界の発展を阻む重大なボトルネックとなっています。 本稿では、PCIeスイッチ搭載ハードディスク拡張カード、U.2拡張カード、およびM.2拡張カードに基づくストレージソリューションについて詳細に分析する。特に、SSDのホットスワップ技術が、運用を中断することなくシームレスなディスク交換を可能にし、それによってエンドツーエンドの自動運転ソリューションプロバイダーが効率的なデータインフラを構築できるよう支援する点に焦点を当てている。

I. 自動運転データストレージに対する市場の需要

業界調査機関の予測によると、2025年までに世界の自動運転試験車両の台数は10万台を超える見込みだ。 ある企業に代表される自動運転ソリューションプロバイダーは、現在、大規模なテスト車両群を展開している。各車両群には通常15台以上のテスト車両が含まれており、各車両にはLiDAR、高解像度カメラ、ミリ波レーダーなどの様々なセンサーが搭載されている。

これらのセンサーが毎日生成するデータ量は驚くべきものです：

• LiDAR：1秒あたり数十万点の点群データを取得し、1日あたりのデータ量は5～10TBに達する。

• 高解像度カメラ：複数の4K/8K動画ストリームにより、1日あたり8～15TBのデータが生成されます。

• ミリ波レーダーおよびCANバス：連続データストリーム、1日あたり1～3TB

従来のSATA SSDや機械式ハードドライブでは、これほどの高帯域幅や大容量の書き込み処理に対応できなくなっています。高速なPCIeインターフェースと組み合わせたNVMeプロトコルは、もはや不可欠な選択肢となっており、一方、ハードドライブ拡張カードは、大容量かつ高信頼性のストレージを実現するための重要なコンポーネントとなっています。

II. PCIeスイッチ搭載ハードドライブ拡張カード技術の詳細解説

PCIeスイッチ搭載のハードドライブ拡張カードは、車載ストレージシステムの核心的なコンポーネントであり、産業用PCからのPCIe信号を複数のSSDへ拡張・分配する役割を担い、これによりストレージ容量の柔軟な拡張を可能にします。

2.1 PCIeスイッチチップの動作原理

PCIeスイッチチップとは、複数の下流デバイスに対して上流のPCIeポートを動的に割り当てることができる高速信号スイッチングデバイスです。自動車用ストレージアプリケーションにおいて、PCIeスイッチ拡張カードは通常、以下のアーキテクチャを採用しています：

• アップストリームポート：車載産業用PCのCPUにPCIe x16スロットを介して接続し、高速データストリームを受信します。

• スイッチングコア：インテリジェントなパケットルーティングと帯域幅の割り当てを可能にするPCIeスイッチチップ。

• 下流ポート：MCIOインターフェースを介して複数のPCIe x4レーンを出力し、U.2またはM.2 SSDに接続します。

• U.2拡張カード：標準的な2.5インチフォームファクタを採用し、SFF-8639インターフェースに対応しています。U.2 SSDは、大容量、優れた放熱性、ホットスワップ対応といった利点を備えています。 1台のドライブで16TB以上の容量を実現できるため、ストレージメディアの頻繁な交換が必要なフィールドテストのシナリオに最適です。

自動運転の路上試験では、ハードドライブの頻繁な交換が必要であり、大容量のストレージが求められるため、U.2拡張カードが最適な選択肢となります。

III. ハードディスクのホットスワップ技術とSSDのホットスワップ技術

ハードドライブのホットスワップとは、デバイスの稼働中にストレージメディアを安全に挿入または取り外すことを可能にする技術を指します。自動運転の路上試験において、SSDのホットスワップ機能を活用することで、試験効率を大幅に向上させ、ハードドライブの交換による試験の中断を防ぐことができます。

3.1 ホットスワップ技術の原理

ハードドライブの確実なホットスワップを実現するには、ハードウェア、ファームウェア、ソフトウェアの3つのレベルにわたる連携が必要です。

• ハードウェアレベル：PCIeスイッチチップは、ポート単位での動的な有効化および無効化に対応しています。U.2ハードドライブ用バックプレーンには、挿入および取り外し時の電流サージを確実に抑制するための電源シーケンス制御回路が組み込まれています。また、MCIOインターフェースは、確実な接続を保証するミス防止設計を採用しています。

• ファームウェアレベル：このハードドライブエンクロージャーには、各ドライブベイの挿入および取り外し状況をリアルタイムで監視し、割り込み信号を介してシステムに通知することで、デバイスのホットプラグイベントを処理するホットスワップ対応コントローラが搭載されています。

• ソフトウェアレベル：オペレーティングシステムのカーネルはNVMeデバイスのホットプラグに対応しており、ファイルシステムはストレージボリュームを安全にアンマウントおよびリマウントでき、アプリケーションはデバイスの変更イベントを監視して、それに応じた処理を実行できます。

3.2 ホットスワップの手順

ある企業の実走テスト用車両15台を例にとると、SSDのホットスワップに関する標準的な手順は以下の通りです：

ステップ1：容量の監視。システムのバックエンドは、各SSDの残容量をリアルタイムで継続的に監視します。ストレージ容量が事前に設定された閾値（例：20%）を下回ると、自動的にエンジニアにアラート通知が送信されます。

ステップ 2：安全なアンマウント。エンジニアは管理インターフェースから対象のハードドライブを選択し、安全なアンマウント操作を実行します。システムはデータのフラッシュ、キャッシュの同期、ファイルシステムのアンマウントを完了させ、データの整合性を確保します。

ステップ3：物理的な交換。ハードドライブエンクロージャーの「EZ-Slide」式取り出しトレイの設計を活用することで、エンジニアは車両が低速で走行している間にも交換作業を行うことができます。

運転中や短時間の駐車時には、満杯になったディスクを速やかに取り出し、新しいディスクを挿入してください。LEDステータスインジケーターは、各ディスクベイの動作状況をリアルタイムで表示します。

ステップ4：自動認識。システムが新しいディスクの挿入を検知すると、NVMeデバイスの初期化、パーティション分割、およびファイルシステムのマウントが自動的に行われます。データの書き込みは直ちに再開され、この一連のプロセスにおいて手動での操作は一切必要ありません。

IV. インテリジェント運転データのための包括的な閉ループソリューション

PCIeスイッチ搭載のハードドライブ拡張カードやU.2拡張カードをベースとしたホットスワップ対応のストレージソリューションを活用することで、自動運転ソリューションプロバイダーは、完全なデータクローズドループシステムを構築することができます。

4.1 車両側での展開

各実走試験車両には、1枚のPCIeスイッチ拡張カードが搭載されており、これはPCIe x16スロットを介して車載産業用コンピュータに接続されています。この拡張カードは、MCIO高速ケーブルを介して、5.25インチ光学ドライブベイに設置された8ベイのU.2ハードドライブエンクロージャーに接続されています。 このエンクロージャーには、大容量のU.2 NVMe SSDが8台搭載されており、各ドライブの容量は4TB、8TB、または16TBから選択可能です。1台あたりの最大ストレージ容量は128TBに達します。

4.2 データ収集と執筆

実地試験中、産業用PCはLiDARポイントクラウド、高解像度ビデオ、レーダー信号など、マルチチャネルのセンサーデータをリアルタイムで収集します。データはPCIe 5.0の高速チャネルを介してU.2 SSDに書き込まれます。 合計64GBの帯域幅により、複数の4Kビデオストリームが同時に書き込まれていても、フレーム落ちや遅延が発生することなく、処理はスムーズに実行されます。

4.3 ホットスワップ対応のディスク交換とデータアップロード

ハードドライブのストレージ容量が限界に近づくと、エンジニアはハードドライブのホットスワップ機能を利用してSSDを迅速に交換します。これにより、車両を停止させることなく、テストを中断することなく継続することができます。 交換された満杯のディスクは、ローカルサーバー上の24ベイU.2バックプレーンに挿入され、10ギガビットネットワークを介してクラウドデータセンターへ高速でアップロードされます。

4.4 クラウドベースのデータ分析

クラウド上では、顧客独自のアルゴリズムプログラムが実行され、収集されたデータの詳細な分析が行われます。具体的には、データクレンジングによって無効な情報が除去され、シナリオ抽出によって主要な運転シナリオが特定され、自動アノテーションによってトレーニング用サンプルが生成され、モデルトレーニングによって知覚および意思決定アルゴリズムが最適化されます。その後、最適化されたモデルはOTAを通じて車両に再展開され、完全なデータループが形成されます。

 V. 本計画の主な利点

• 高性能：このPCIeスイッチ拡張カードは、合計64 GBの帯域幅を提供します。PCIe 5.0の性能はPCIe 4.0の2倍であり、今後登場するさらに高解像度のセンサーの書き込み要件にも対応します。

• 大容量：U.2拡張カードはエンタープライズグレードの大容量SSDに対応しており、1台あたりの最大ストレージ容量は128 TBに達し、長期にわたる実地試験の要件を満たします。

• ホットスワップ対応：SSDのホットスワップ設計により、車両を停止させることなくディスクの交換が可能となり、実走試験の効率を30%以上向上させ、車両運用コストを大幅に削減します。

• 高い信頼性：オールメタル製のToughArmor構造、耐振動設計、および広い動作温度範囲（0°C～70°C）を備え、過酷な車載環境に適しています。

• メンテナンスの容易さ：EZ-Slide引き出し設計、LEDステータスインジケーター、および1人で実施可能なホットスワップ対応のハードドライブ交換機能。

• 拡張性：モジュール式設計により、最大15台の車両を同時に導入することが可能であり、MCIOインターフェースによりシステムの拡張やアップグレードが容易に行えます。

VI. 業界の見通し

自動運転技術がレベル3/レベル4へと進化するにつれ、実走試験データの量は飛躍的に増加するでしょう。PCIe 5.0技術の普及により、車載ストレージには十分な性能の余裕が確保される一方、ホットスワップ対応のハードドライブ設計により、継続的なデータ収集という課題が解決されます。

PCIeスイッチ搭載のハードドライブ拡張カードおよびU.2拡張カードをベースとした、包括的な自動運転ソリューションの提供事業者向けに、

SSDのホットスワップ技術を搭載したストレージソリューションは、現在のストレージのボトルネックを解消する効果的な手段であるだけでなく、長期的なデータ競争力を構築するための戦略的な投資でもあります。

自動運転技術の競争において、最終段階では、データのクローズドループを実現できるかどうかが、企業の競争力を左右することになる。信頼性が高く、効率的で、拡張性のあるストレージインフラストラクチャを選択することは、すべての自動運転企業が最優先すべき極めて重要な決定事項である。