В связи с быстрым развитием технологий интеллектуального вождения сбор и хранение данных дорожных испытаний стали серьезным препятствием, сдерживающим развитие отрасли. В данной статье представлен углубленный анализ решений для хранения данных на основе карт расширения с жесткими дисками на базе коммутаторов PCIe, карт расширения U.2 и карт расширения M.2. Основное внимание уделяется тому, как технология «горячей» замены SSD позволяет осуществлять бесперебойную замену дисков без прерывания работы, тем самым помогая поставщикам комплексных решений для автономного вождения создавать эффективную инфраструктуру хранения данных.

I. Рыночный спрос на системы хранения данных для интеллектуального вождения

Согласно прогнозам отраслевых исследовательских институтов, к 2025 году общее количество тестовых автомобилей с автономным управлением в мире превысит 100 000. Поставщики решений для автономного вождения — в лице определенной компании — в настоящее время развертывают крупные парки тестовых автомобилей. Каждый парк обычно включает более 15 тестовых автомобилей, каждый из которых оснащен различными датчиками, такими как лидар, камеры высокого разрешения и миллиметровый радар.

Объем данных, генерируемых этими датчиками ежедневно, просто поразителен:

• LiDAR: сотни тысяч точек облака точек в секунду, при этом ежедневный объем данных достигает 5–10 ТБ.

• Камера высокого разрешения: несколько видеопотоков в формате 4K/8K, объем которых составляет 8–15 ТБ в день.

• Миллиметровый радар и шина CAN: непрерывный поток данных, 1–3 ТБ в день

Традиционные SSD-накопители с интерфейсом SATA или механические жесткие диски уже не способны удовлетворить требования к высокой пропускной способности и записи больших объемов данных. Протокол NVMe в сочетании с высокоскоростным интерфейсом PCIe стал неизбежным выбором, а платы расширения для жестких дисков — ключевыми компонентами для создания высоконадежных систем хранения данных с большим объемом памяти.

II. Подробное описание технологии платы расширения с PCIe-коммутатором для жестких дисков

Плата расширения жестких дисков с PCIe-коммутатором является ключевым компонентом бортовых систем хранения данных, отвечающим за передачу и распределение сигналов PCIe от промышленного ПК на несколько SSD-накопителей, что обеспечивает гибкое расширение емкости хранилища.

2.1 Принцип работы микросхемы PCIe-коммутатора

Чип коммутатора PCIe представляет собой устройство высокоскоростной коммутации сигналов, способное динамически распределять входящие порты PCIe между несколькими нижестоящими устройствами. В автомобильных системах хранения данных платы расширения с коммутатором PCIe обычно имеют следующую архитектуру:

• Входной порт: подключается к процессору бортового промышленного ПК через слот PCIe x16 и принимает высокоскоростные потоки данных.

• Коммутационное ядро: микросхема коммутатора PCIe, обеспечивающая интеллектуальную маршрутизацию пакетов и распределение пропускной способности.

• Нисходящий порт: обеспечивает выход нескольких линий PCIe x4 через интерфейс MCIO для подключения SSD-накопителей формата U.2 или M.2.

• Карта расширения U.2: имеет стандартный форм-фактор 2,5 дюйма и поддерживает интерфейс SFF-8639. Твердотельные накопители U.2 обладают такими преимуществами, как большая емкость, отличная теплоотдача и поддержка «горячей» замены. Емкость одного диска может достигать 16 ТБ и более, что делает их идеальным решением для полевых испытаний, требующих частой замены носителей информации.

В условиях дорожных испытаний систем автономного вождения, где требуется частая замена жестких дисков и необходим большой объем памяти, платы расширения U.2 являются более предпочтительным выбором.

III. Технологии «горячей» замены жестких дисков и SSD-накопителей

«Горячая» замена жестких дисков — это технология, позволяющая безопасно устанавливать или извлекать носители информации во время работы устройства. В условиях дорожных испытаний систем автономного вождения функция «горячей» замены SSD может значительно повысить эффективность тестирования и предотвратить перерывы в испытаниях, вызванные заменой жестких дисков.

3.1 Принцип технологии «горячей» замены

Для обеспечения надежной «горячей» замены жестких дисков необходима согласованная работа на трех уровнях: аппаратном, микропрограммном и программном.

• Аппаратный уровень: микросхема коммутатора PCIe поддерживает динамическое включение и отключение на уровне портов; на задней панели для жестких дисков U.2 встроена схема управления последовательностью подачи питания, которая обеспечивает контроль над скачками тока при установке и извлечении дисков; интерфейс MCIO отличается надежной конструкцией, гарантирующей стабильность соединений.

• Уровень микропрограммы: Корпус для жестких дисков оснащен контроллером с поддержкой «горячей» замены, который в режиме реального времени отслеживает состояние установки и извлечения каждого дискового отсека и оповещает систему с помощью сигналов прерывания для обработки событий «горячей» замены устройств.

• Уровень программного обеспечения: ядро операционной системы поддерживает «горячее» подключение устройств NVMe; файловая система может безопасно отмонтировать и повторно смонтировать тома хранения; а приложения могут отслеживать события, связанные с изменениями устройств, и выполнять соответствующие действия.

3.2 Порядок «горячей» замены

На примере парка из 15 автомобилей, проходящих дорожные испытания, принадлежащих одной из компаний, стандартная процедура «горячей» замены твердотельных накопителей выглядит следующим образом:

Шаг 1: Мониторинг свободного места. Серверная часть системы постоянно отслеживает объем свободного места на каждом SSD в режиме реального времени. Когда объем свободного места опускается ниже заданного порога (например, 20 %), система автоматически отправляет инженерам уведомление.

Шаг 2: Безопасное отключение. Инженер выбирает целевой жесткий диск через интерфейс управления и выполняет операцию безопасного отключения. Система завершает сброс данных, синхронизацию кэша и отключение файловой системы, обеспечивая целостность данных.

Шаг 3: Физическая замена. Благодаря конструкции лотка для извлечения диска EZ-Slide, встроенного в корпус жесткого диска, инженеры могут производить замену во время движения автомобиля на низкой скорости.

Во время движения или кратковременной остановки быстро извлеките заполненный диск и вставьте новый. Светодиодный индикатор отображает рабочий статус каждого отсека для дисков в режиме реального времени.

Шаг 4: Автоматическое распознавание. После того как система обнаруживает вставленный новый диск, она автоматически выполняет инициализацию устройства NVMe, разбиение на разделы и монтирование файловой системы. Запись данных возобновляется немедленно, и весь процесс не требует ручного вмешательства.

IV. Комплексное решение с замкнутым циклом для обработки данных интеллектуального вождения

Благодаря решениям для хранения данных с возможностью «горячей» замены, основанным на картах расширения с жесткими дисками на базе коммутаторов PCIe и картах расширения U.2, поставщики решений для автономного вождения могут создать полноценную систему с замкнутым циклом обработки данных.

4.1 Развертывание на стороне транспортного средства

Каждый автомобиль для дорожных испытаний оснащен одной платой расширения с PCIe-коммутатором, которая подключается к встроенному промышленному компьютеру через слот PCIe x16. Плата расширения соединяется с помощью высокоскоростных кабелей MCIO с 8-слотовым корпусом для жестких дисков U.2, установленным в отсеке для 5,25-дюймового оптического привода. В корпусе размещены восемь SSD-накопителей U.2 NVMe большой емкости, каждый из которых доступен с объемом памяти 4 ТБ, 8 ТБ или 16 ТБ. Максимальный объем хранения на одно устройство может достигать 128 ТБ.

4.2 Сбор данных и написание текста

Во время дорожных испытаний промышленный ПК собирает многоканальные данные с датчиков в режиме реального времени, включая облака точек LiDAR, видео высокой четкости и радиолокационные сигналы. Данные записываются на SSD-накопитель формата U.2 через высокоскоростной канал PCIe 5.0. Благодаря совокупной пропускной способности 64 ГБ даже при одновременной записи нескольких видеопотоков 4K процесс остается плавным без пропусков кадров или задержек.

4.3 Замена дисков с возможностью «горячей» замены и загрузка данных

Когда объем жесткого диска почти исчерпан, инженеры оперативно заменяют SSD, используя функцию «горячей» замены диска — без остановки автомобиля, что позволяет продолжить испытания без перерыва. Затем заменённый заполненный диск вставляется в 24-слотовую объединительную плату U.2 на локальном сервере и с высокой скоростью загружается через 10-гигабитную сеть в облачный центр обработки данных.

4.4 Облачный анализ данных

В облаке запускаются собственные алгоритмические программы клиентов для проведения углубленного анализа собранных данных: очистка данных позволяет удалить недостоверную информацию, выделение сценариев выявляет ключевые сценарии вождения, автоматическая аннотация генерирует обучающие образцы, а обучение модели оптимизирует алгоритмы распознавания и принятия решений. Затем оптимизированная модель вновь внедряется в автомобили посредством OTA, создавая замкнутый цикл обработки данных.

 V. Основные преимущества плана

• Высокая производительность: плата расширения с коммутатором PCIe обеспечивает совокупную пропускную способность 64 ГБ. Благодаря тому, что производительность PCIe 5.0 в два раза превышает производительность PCIe 4.0, она соответствует требованиям к скорости записи будущих датчиков с еще более высоким разрешением.

• Большой объем памяти: карта расширения U.2 поддерживает SSD-накопители корпоративного класса с высокой емкостью, максимальный объем памяти которых составляет 128 ТБ на одно устройство, что позволяет удовлетворить требования длительных дорожных испытаний.

• Возможность «горячей» замены: Конструкция SSD, обеспечивающая «горячую» замену, позволяет производить замену диска без остановки транспортного средства, что повышает эффективность дорожных испытаний более чем на 30 % и значительно снижает эксплуатационные расходы автопарка.

• Высокая надежность: цельнометаллическая конструкция ToughArmor, виброустойчивая конструкция и широкий диапазон рабочих температур (от 0 °C до 70 °C), что делает устройство пригодным для использования в суровых условиях внутри транспортных средств.

• Простота обслуживания: конструкция выдвижных ящиков EZ-Slide, светодиодные индикаторы состояния и возможность «горячей» замены жестких дисков, которую может выполнить один человек.

• Масштабируемость: модульная конструкция позволяет одновременно задействовать до 15 транспортных средств, а интерфейс MCIO упрощает расширение и модернизацию системы.

VI. Перспективы развития отрасли

По мере развития технологий автономного вождения до уровней L3/L4 объем данных, полученных в ходе дорожных испытаний, будет расти в геометрической прогрессии. Широкое внедрение технологии PCIe 5.0 обеспечивает достаточный запас производительности для бортовых систем хранения данных, а конструкция жестких дисков с возможностью «горячей» замены позволяет решить проблему непрерывного сбора данных.

Для поставщиков комплексных решений в области автономного вождения, основанных на картах расширения с жесткими дисками на базе PCIe-коммутаторов и картах расширения U.2,

Решения для хранения данных с технологией «горячей» замены SSD-накопителей — это не только эффективный способ устранения существующих узких мест в системах хранения, но и стратегическая инвестиция в обеспечение долгосрочной конкурентоспособности данных.

На поздних этапах соревнований по интеллектуальному вождению способность обеспечить замкнутый цикл обработки данных станет определяющим фактором конкурентоспособности компании. Выбор надёжной, эффективной и масштабируемой инфраструктуры хранения данных — это ключевое решение, которое каждая компания, занимающаяся разработкой систем автономного вождения, должна поставить в приоритет.