Com a rápida evolução das tecnologias de direção inteligente, a coleta e o armazenamento de dados de testes em estrada tornaram-se um gargalo crítico que impede o desenvolvimento do setor. Este artigo apresenta uma análise aprofundada das soluções de armazenamento baseadas em placas de expansão de disco rígido com switch PCIe, placas de expansão U.2 e placas de expansão M.2. Ele enfoca como a tecnologia de troca a quente de SSDs permite a substituição contínua de discos sem interromper as operações, ajudando assim os fornecedores de soluções completas de direção autônoma a construir uma infraestrutura de dados eficiente.

I. Demanda do mercado por armazenamento de dados de direção inteligente

De acordo com as previsões de instituições de pesquisa do setor, o número global de veículos de teste para direção autônoma ultrapassará 100.000 até 2025. Fornecedores de soluções de direção autônoma — representados por uma determinada empresa — estão agora implantando frotas de teste em grande escala. Cada frota inclui, normalmente, mais de 15 veículos de teste, cada um equipado com uma variedade de sensores, como lidar, câmeras de alta definição e radar de ondas milimétricas.

A quantidade de dados gerados diariamente por esses sensores é impressionante:

• LiDAR: Centenas de milhares de pontos de dados de nuvem de pontos por segundo, com volumes diários que chegam a 5–10 TB.

• Câmera de alta definição: várias transmissões de vídeo em 4K/8K, gerando de 8 a 15 TB por dia.

• Radar de ondas milimétricas e barramento CAN: fluxo contínuo de dados, 1–3 TB por dia

Os SSDs SATA tradicionais ou os discos rígidos mecânicos já não conseguem atender às exigências de largura de banda tão elevada e de gravações de grande capacidade. O protocolo NVMe, combinado com a interface PCIe de alta velocidade, tornou-se uma escolha inevitável, enquanto as placas de expansão de disco rígido são componentes essenciais para se obter um armazenamento de grande capacidade e alta confiabilidade.

II. Explicação detalhada da tecnologia das placas de expansão de disco rígido com switch PCIe

A placa de expansão de disco rígido com switch PCIe é um componente essencial dos sistemas de armazenamento veiculares, responsável por estender e distribuir os sinais PCIe do PC industrial para vários SSDs, permitindo assim uma expansão flexível da capacidade de armazenamento.

2.1 Princípio de funcionamento do chip de comutação PCIe

Um chip de switch PCIe é um dispositivo de comutação de sinais de alta velocidade capaz de alocar dinamicamente portas PCIe de entrada a vários dispositivos de saída. Em aplicações de armazenamento automotivo, as placas de expansão de switch PCIe geralmente adotam a seguinte arquitetura:

• Porta de entrada: Conecta-se à CPU do PC industrial do veículo por meio de um slot PCIe x16, recebendo fluxos de dados em alta velocidade.

• Núcleo de comutação: um chip de comutador PCIe que permite o roteamento inteligente de pacotes e a alocação de largura de banda.

• Porta de saída: fornece várias pistas PCIe x4 por meio da interface MCIO, conectando-se a SSDs U.2 ou M.2.

• Placa de expansão U.2: Adota o formato padrão de 2,5 polegadas e é compatível com a interface SFF-8639. Os SSDs U.2 oferecem vantagens como grande capacidade, excelente dissipação de calor e suporte para troca a quente. Uma única unidade pode atingir uma capacidade de 16 TB ou mais, tornando-as ideais para cenários de testes de campo que exigem a substituição frequente de mídias de armazenamento.

Em cenários de testes de direção autônoma em estradas, onde são necessárias trocas frequentes de discos rígidos e é exigida uma alta capacidade de armazenamento, as placas de expansão U.2 são a melhor opção.

III. Tecnologias de troca a quente de discos rígidos e SSDs

A troca a quente de discos rígidos refere-se à tecnologia que permite que os dispositivos de armazenamento sejam inseridos ou removidos com segurança enquanto o equipamento está em funcionamento. Em cenários de testes de direção autônoma em estrada, o recurso de troca a quente de SSDs pode melhorar significativamente a eficiência dos testes e evitar interrupções causadas pela substituição de discos rígidos.

3.1 Princípio da tecnologia de troca a quente

Para garantir a troca a quente confiável de discos rígidos, é necessário um trabalho coordenado em três níveis: hardware, firmware e software.

• Nível de hardware: O chip do switch PCIe suporta a ativação e desativação dinâmicas no nível das portas; o backplane do disco rígido U.2 integra circuitos de controle de sequenciamento de energia para garantir que os picos de corrente durante a inserção e a remoção sejam mantidos sob controle; a interface MCIO apresenta um design à prova de erros para garantir conexões confiáveis.

• Nível de firmware: O gabinete do disco rígido está equipado com um controlador hot-swappable que monitora em tempo real o status de inserção e remoção de cada compartimento de unidade e notifica o sistema por meio de sinais de interrupção para lidar com eventos de conexão a quente dos dispositivos.

• Nível de software: o kernel do sistema operacional suporta a conexão a quente de dispositivos NVMe; o sistema de arquivos pode desmontar e remontar volumes de armazenamento com segurança; e os aplicativos podem detectar eventos de alteração de dispositivos e executar as ações correspondentes.

3.2 Procedimento de troca a quente

Tomando como exemplo uma frota de 15 veículos de teste de uma determinada empresa, o procedimento operacional padrão para a troca a quente de SSDs é o seguinte:

Etapa 1: Monitoramento de capacidade. O backend do sistema monitora continuamente a capacidade restante de cada SSD em tempo real. Quando o espaço de armazenamento fica abaixo de um limite pré-definido (por exemplo, 20%), ele envia automaticamente uma notificação de alerta aos engenheiros.

Etapa 2: Desmontagem segura. O engenheiro seleciona o disco rígido de destino por meio da interface de gerenciamento e realiza uma operação de desmontagem segura. O sistema conclui a limpeza de dados, a sincronização do cache e a desmontagem do sistema de arquivos, garantindo a integridade dos dados.

Etapa 3: Substituição física. Aproveitando o design da bandeja de extração EZ-Slide do compartimento do disco rígido, os engenheiros podem realizar a substituição enquanto o veículo está em movimento a baixa velocidade.

Ao dirigir ou estacionar por um breve período, remova rapidamente o disco cheio e insira um novo. O indicador LED de status exibe o estado operacional de cada compartimento de disco em tempo real.

Etapa 4: Reconhecimento automático. Assim que o sistema detecta a inserção de um novo disco, ele conclui automaticamente a inicialização do dispositivo NVMe, o particionamento e a montagem do sistema de arquivos. A gravação de dados é retomada imediatamente, e todo o processo não requer nenhuma intervenção manual.

IV. Uma solução completa de ciclo fechado para dados de direção inteligente

Com soluções de armazenamento substituíveis em funcionamento, baseadas em placas de expansão de disco rígido com switch PCIe e placas de expansão U.2, os fornecedores de soluções de direção autônoma podem criar um sistema completo de ciclo fechado de dados.

4.1 Ativação pelo veículo

Cada veículo de teste em estrada está equipado com uma placa de expansão de switch PCIe, que se conecta ao computador industrial integrado por meio de um slot PCIe x16. A placa de expansão é conectada, por meio de cabos de alta velocidade MCIO, a um gabinete de discos rígidos U.2 de 8 compartimentos instalado no compartimento de unidade óptica de 5,25 polegadas. O gabinete abriga oito SSDs U.2 NVMe de alta capacidade, com cada unidade disponível em capacidades de 4 TB, 8 TB ou 16 TB. A capacidade máxima de armazenamento por dispositivo pode chegar a 128 TB.

4.2 Coleta de dados e redação

Durante os testes em estrada, o PC industrial coleta dados de sensores multicanais em tempo real, incluindo nuvens de pontos LiDAR, vídeo de alta definição e sinais de radar. Os dados são gravados em um SSD U.2 por meio de um canal PCIe 5.0 de alta velocidade. Graças à largura de banda agregada de 64 GB, mesmo quando vários fluxos de vídeo 4K são gravados simultaneamente, o processo permanece fluido, sem quedas de quadros ou latência.

4.3 Substituição de discos com troca a quente e upload de dados

Quando o espaço de armazenamento do disco rígido está prestes a atingir sua capacidade máxima, os engenheiros substituem rapidamente o SSD utilizando o recurso de troca a quente do disco rígido — sem parar o veículo, permitindo que os testes continuem sem interrupção. O disco cheio substituído é então inserido em um backplane U.2 de 24 baias em um servidor local e enviado em alta velocidade, por meio de uma rede de 10 gigabits, para um data center na nuvem.

4.4 Análise de dados baseada na nuvem

Na nuvem, os programas de algoritmos proprietários dos clientes são executados para realizar uma análise aprofundada dos dados coletados: a limpeza de dados remove informações inválidas, a extração de cenários identifica os principais cenários de condução, a anotação automática gera amostras de treinamento e o treinamento do modelo otimiza os algoritmos de percepção e tomada de decisão. O modelo otimizado é então implantado de volta nos veículos por meio de OTA, criando um ciclo completo de dados.

 V. Principais vantagens do plano

• Alto desempenho: A placa de expansão com switch PCIe oferece uma largura de banda agregada de 64 GB. Com o desempenho do PCIe 5.0 sendo o dobro do PCIe 4.0, ela atende aos requisitos de gravação de sensores futuros com resoluções ainda mais altas.

• Grande capacidade: A placa de expansão U.2 é compatível com SSDs de alta capacidade de nível empresarial, com capacidade máxima de armazenamento de 128 TB por dispositivo, atendendo às exigências de testes de estrada prolongados.

• Substituível em funcionamento: O design do SSD que permite a substituição em funcionamento possibilita a troca do disco sem parar o veículo, aumentando a eficiência dos testes em estrada em mais de 30% e reduzindo significativamente os custos operacionais da frota.

• Alta confiabilidade: estrutura ToughArmor totalmente metálica, design resistente a vibrações e ampla faixa de temperatura de operação (0 °C a 70 °C), adequada para ambientes adversos dentro de veículos.

• Fácil manutenção: design de gaveta EZ-Slide, indicadores de status LED e operação de discos rígidos com substituição a quente que pode ser realizada por uma única pessoa.

• Escalável: o design modular permite a implantação simultânea de até 15 veículos, e a interface MCIO facilita a expansão e as atualizações do sistema.

VI. Perspectivas do setor

À medida que a tecnologia de direção autônoma avança para os níveis L3/L4, o volume de dados de testes em estrada crescerá exponencialmente. A adoção generalizada da tecnologia PCIe 5.0 oferece ampla margem de desempenho para o armazenamento a bordo, enquanto o design de discos rígidos com substituição a quente resolve o desafio da aquisição contínua de dados.

Para fornecedores de soluções completas de direção autônoma, baseadas em placas de expansão de disco rígido com switch PCIe e placas de expansão U.2,

As soluções de armazenamento com tecnologia SSD hot-swap não são apenas uma forma eficaz de resolver os gargalos atuais de armazenamento, mas também um investimento estratégico para garantir a competitividade dos dados a longo prazo.

Nas fases finais da competição de direção autônoma, a capacidade de estabelecer um ciclo fechado de dados determinará a competitividade essencial de uma empresa. A escolha de uma infraestrutura de armazenamento confiável, eficiente e escalável é uma decisão crítica que toda empresa de direção autônoma deve priorizar.