Com a rápida iteração das tecnologias de direção inteligente, a coleta e o armazenamento de dados de testes de estrada se tornaram um gargalo crítico que impede o desenvolvimento do setor. Este documento fornece uma análise detalhada 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 se concentra em como a tecnologia de hot-swapping de SSD permite a substituição perfeita do disco sem interromper as operações, ajudando assim os fornecedores de soluções completas de direção autônoma a criar 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 de direção autônoma excederá 100.000 até 2025. Os fornecedores de soluções de direção autônoma - representados por uma determinada empresa - estão agora implantando frotas de teste em larga escala. Em geral, cada frota inclui 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 surpreendente:

- 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: Vários fluxos de vídeo 4K/8K, gerando de 8 a 15 TB por dia.

- Radar de ondas milimétricas e barramento CAN: Fluxo de dados contínuo, 1-3 TB por dia

Os SSDs SATA tradicionais ou os discos rígidos mecânicos não conseguem mais atender às demandas de largura de banda tão alta e 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 obter armazenamento de grande capacidade e alta confiabilidade.

II. Explicação detalhada da tecnologia de placa de expansão de disco rígido com comutador PCIe

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

2.1 Princípio operacional do chip de switch PCIe

Um chip de switch PCIe é um dispositivo de comutação de sinal de alta velocidade que pode alocar dinamicamente portas PCIe upstream para vários dispositivos downstream. Em aplicativos de armazenamento automotivo, as placas de expansão de switch PCIe geralmente adotam a seguinte arquitetura:

- Porta upstream: Conecta-se à CPU do PC industrial no veículo por meio de um slot PCIe x16, recebendo fluxos de dados de alta velocidade.

- Núcleo de comutação: Um chip de switch PCIe que permite o roteamento inteligente de pacotes e a alocação de largura de banda.

- Porta downstream: Gera 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. As SSDs U.2 oferecem vantagens como grande capacidade, excelente dissipação de calor e suporte para hot-swapping. Uma única unidade pode atingir uma capacidade de 16 TB ou mais, o que as torna ideais para cenários de teste de campo que exigem a substituição frequente da mídia de armazenamento.

Em cenários de testes rodoviários de direção autônoma, em que são necessárias substituições frequentes do disco rígido e alta capacidade de armazenamento, as placas de expansão U.2 são a melhor opção.

III. Tecnologias de troca a quente de disco rígido e troca a quente de SSD

A troca a quente de discos rígidos refere-se à tecnologia que permite que a mídia de armazenamento seja inserida ou removida com segurança enquanto o dispositivo está em funcionamento. Em cenários de testes de condução autônoma, o recurso de hot-swapping de SSD pode melhorar significativamente a eficiência dos testes e evitar interrupções causadas pela substituição de discos rígidos.

3.1 Princípio da tecnologia Hot-Swapping

Para conseguir uma troca a quente confiável de discos rígidos, são necessários esforços coordenados em três níveis: hardware, firmware e software.

- Nível de hardware: O chip PCIe Switch suporta ativação e desativação dinâmicas no nível da porta; 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 falhas para garantir conexões confiáveis.

- Nível de firmware: O gabinete do disco rígido é 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 hot-plug para os dispositivos.

- Nível de software: O kernel do sistema operacional oferece suporte à conexão a quente de dispositivos NVMe; o sistema de arquivos pode desmontar e remontar volumes de armazenamento com segurança; e os aplicativos podem ouvir 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 estrada de uma determinada empresa, o procedimento operacional padrão para troca a quente de SSDs é o seguinte:

Etapa 1: Monitoramento da 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 predefinido (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 executa uma operação de desmontagem segura. O sistema conclui a limpeza dos 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 gabinete do disco rígido, os engenheiros podem realizar a substituição enquanto o veículo estiver viajando em baixa velocidade.

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

Etapa 4: Reconhecimento automático. Depois que o sistema detecta que um novo disco está sendo inserido, 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 intervenção manual.

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

Com soluções de armazenamento hot-swappable 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 loop fechado de dados.

4.1 Implantação no lado do veículo

Cada veículo de teste de estrada é 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 disco rígido 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 de estrada, o PC industrial coleta dados de sensores multicanal 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 de alta velocidade PCIe 5.0. Graças à largura de banda agregada de 64 GB, mesmo quando vários fluxos de vídeo 4K são gravados simultaneamente, o processo permanece suave, sem quedas de quadros ou latência.

4.3 Substituição do disco hot-swappable e upload de dados

Quando o armazenamento do disco rígido está prestes a atingir a capacidade, os engenheiros substituem rapidamente o SSD usando o recurso de troca a quente do disco rígido - sem parar o veículo, permitindo que os testes continuem sem interrupções. O disco completo substituído é então inserido em um backplane U.2 de 24 compartimentos em um servidor local e carregado em alta velocidade por meio de uma rede de 10 gigabits para um data center em nuvem.

4.4 Análise de dados com base 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 direção, a anotação automática gera amostras de treinamento e o treinamento de modelos otimiza os algoritmos de percepção e tomada de decisões. O modelo otimizado é então implantado de volta nos veículos via OTA, criando um loop de dados completo.

V. Principais vantagens do plano

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

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

- Pode ser trocado a quente: O design de troca a quente da SSD permite a substituição do disco sem parar o veículo, aumentando a eficiência dos testes de 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 operacional (0 °C a 70 °C), adequada para ambientes severos em veículos.

- Fácil manutenção: Design de gaveta EZ-Slide, indicadores de status de LED e operação de disco rígido com hot-swap que pode ser realizada por uma única pessoa.

- Escalável: O design modular permite a implementação 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 de estrada crescerá exponencialmente. A adoção generalizada da tecnologia PCIe 5.0 oferece um amplo espaço de desempenho para o armazenamento no veículo, enquanto o design do disco rígido com hot-swap aborda o desafio da aquisição contínua de dados.

Para fornecedores de soluções abrangentes de direção autônoma, com base em placas de expansão de disco rígido PCIe Switch e placas de expansão U.2,

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

Nos estágios posteriores da competição de direção inteligente, a capacidade de obter um loop fechado de dados determinará a competitividade central de uma empresa. A escolha de uma infraestrutura de armazenamento confiável, eficiente e dimensionável é uma decisão crítica que toda empresa de direção autônoma deve priorizar.