EE架構(gòu)演變和工業(yè)機(jī)器人發(fā)展對存儲的新需求

隨著汽車行業(yè)的研發(fā)不斷向前發(fā)展，以及汽車電子EE架構(gòu)本身的演變，使得區(qū)域算力提升，并且和云端計算結(jié)合。在這樣的背景下，邊沿計算的處理已成為下一代智能汽車所必須。復(fù)雜高效的互聯(lián)互通能力以及車輛內(nèi)外部的集成系統(tǒng)是每個車企重點(diǎn)投資的垂直整合技術(shù)。而關(guān)鍵的信息，需要被可重現(xiàn)事故過程的數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng) EDR (Event Data Recorder) 記錄下來，這個俗稱 “汽車黑匣子”主要記錄車輛在碰撞前、碰撞時、碰撞后三個不同階段中汽車的關(guān)鍵運(yùn)行數(shù)據(jù)，例如行車速度、方向盤轉(zhuǎn)向速度、車輛制動狀態(tài)等參數(shù)，為交通事故的調(diào)查分析提供客觀、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

汽車電子技術(shù)的發(fā)展，使得電子系統(tǒng)需要使用存儲器，那么在這里存儲到底有哪些作用呢？哪些存儲器值得大家關(guān)注和選擇呢？

圖1 EDR下的汽車存儲器需求

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汽車的記錄要求

EDR：即Event Data Recorder，指汽車事件數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)，用于記錄車輛碰撞前、碰撞時、碰撞后三個階段中汽車的運(yùn)行關(guān)鍵數(shù)據(jù)。EDR 是用來記錄車輛發(fā)生事故時的行車數(shù)據(jù)，其參數(shù)信息主要來自 CAN 總線和其他傳感器。EDR 系統(tǒng)主要由碰撞傳感器、CAN 通信模塊、控制存儲單元等部分構(gòu)成，而汽車?yán)锩嬗写罅康年P(guān)鍵數(shù)據(jù)需要存儲，這些數(shù)據(jù)對于事故的追蹤中扮演著尤其重要的作用。

控制存儲單元是 EDR 硬件系統(tǒng)的核心，它要求能夠接收加速度計的信號以及車輛 CAN 總線狀態(tài)，且存儲于自身 RAM 存儲器，并鎖定于片上 Flash 存儲器中，這就需要控制單元具有較快的處理速度和較大的 RAM和 Flash 空間。

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汽車的存儲要求

這個領(lǐng)域應(yīng)用的存儲器要應(yīng)對很高的要求。首先也是最重要的是，存儲系統(tǒng)必須能夠在車輛事故中保存下來——由于碰撞可能導(dǎo)致汽車的低壓系統(tǒng)斷電，存儲需要一種無需連接電源即可保存數(shù)據(jù)的原生非易失性存儲器。除此之外，記錄數(shù)據(jù)的存儲必須滿足一些嚴(yán)格的條件。

2.1 汽車存儲器的基本要求

1）非易失性：這是基本要求，數(shù)據(jù)得記下來

2）惡劣環(huán)境下的生存性：碰撞以后，存儲器的數(shù)據(jù)得保存下來

3）工作時間和壽命：汽車的生命周期很長，在車舊了以后存儲器也需要能工作

4）低功耗：如果功耗太高，對于設(shè)計保存機(jī)制會存在困難

5）刷寫快：碰撞的時間很短，如果電源斷電，數(shù)據(jù)需要快速寫上去

2.2 不同特性的差異在哪里？

現(xiàn)在的存儲器件對快速刷寫的特性要求越來越高，從Flash、EEPROM到F-RAM，汽車存儲器的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)在不斷變化，主要的維度還是更快的刷寫。對于自動輔助駕駛系統(tǒng)而言，把數(shù)據(jù)快速存下來很方便。F-RAM存儲器（結(jié)合了RAM和ROM的優(yōu)勢）比EEPROM擁有更多優(yōu)勢，主要是不需要寫等待時間，幾乎可以實時存儲重要數(shù)據(jù)(實際10us存儲時間)；相比之下，EEPROM通常需要超過10毫秒的寫入等待時間。

當(dāng)然在這種應(yīng)用中，具備無寫延遲和高速時鐘速度也是必要的，才能適合需要快速寫入大量數(shù)據(jù)的應(yīng)用。把一個或兩個字節(jié)寫入存儲器的隨機(jī)位置時，寫入周期約為1微秒，對比EEPROM或閃存，大概需要5-10毫秒的寫入周期。

圖2 F-RAM 與EEPROM 寫數(shù)據(jù)的對比

FRAM（Ferroelectric RAM）存儲單元的基本原理是鐵電效應(yīng)，是應(yīng)用鐵電薄膜的自發(fā)性極化形式儲存的鐵電存儲器件，由于FRAM通過外部電場控制鐵電電容器的自發(fā)性極化。

圖3 FRAM技術(shù)

源自浮柵技術(shù)的傳統(tǒng)可寫非易失性存儲器使用電荷泵來開發(fā)片上高壓，通過讓載流子通過柵氧化層，寫入延遲長，寫入功率高，寫入操作實際上對存儲單元具有破壞性。浮柵器件無法支持超過10^6次訪問的寫入，F(xiàn)RAM的寫入次數(shù)可達(dá)10^10次方，與EEPROM的10^6次相比，高出1萬倍以上。

FRAM在寫入速度和功率方面都遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于浮柵器件。對于時鐘頻率為20MHz的典型串行EEPROM，寫入256位（32字節(jié)頁面緩沖區(qū)）需要5毫秒，寫入整個64Kb需要1283.6毫秒。對于等效的FRAM，256位僅需14μs，寫入整個64Kb僅需3.25ms。此外，將64Kb寫入EEPROM需要3900μJ，而將64Kb寫入F-RAM需要17μJ，相差超過229倍。

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Excelon F-RAM存儲器

英飛凌推出具有業(yè)界最高密度全新1Mbit-16Mbit的 Excelon F-RAM存儲器（鐵電存儲器），支持QSPI 接口， 最高可以支持時鐘為108Mhz， 讀寫速率最高為54MB/s。通過可滿足下一代汽車和工業(yè)系統(tǒng)的永久數(shù)據(jù)采集要求，從而有助于防止在惡劣的操作環(huán)境中丟失數(shù)據(jù)。

FRAM（鐵電隨機(jī)存取存儲器或 FeRAM）是一種獨(dú)立的非易失性存儲器，可在電源中斷時立即捕獲和保存關(guān)鍵數(shù)據(jù)。它們是關(guān)鍵任務(wù)數(shù)據(jù)記錄應(yīng)用的理想選擇，例如需要高可靠性控制和吞吐量的高性能可編程邏輯控制器 (PLC)，或延長生命的患者監(jiān)護(hù)設(shè)備。F-RAM 采用低功耗、小尺寸設(shè)計，可提供即時非易失性和幾乎無限的耐用性，而不會影響速度或能效。

圖4 對比的情況

3.1 汽車的應(yīng)用場景

在整個使用場景，存儲器的應(yīng)用廣泛覆蓋了各種傳感器帶來的數(shù)據(jù)，比如自動輔助駕駛、儀表系統(tǒng)（里程和關(guān)鍵信息），電池管理系統(tǒng)、行車記錄儀、娛樂系統(tǒng)和網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)。事實上，如果設(shè)計考究，在很多地方都可以使用這種存儲器。

3.2 主要的優(yōu)點(diǎn)

FRAM憑借高速讀寫入、高讀寫耐久性、低功耗和防篡改方面的優(yōu)勢，目前在汽車應(yīng)用領(lǐng)域，能找到更多的適合FRAM 的應(yīng)用，可以替代傳統(tǒng)的EEPROM產(chǎn)品。

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F-RAM 工業(yè)上的應(yīng)用

在工業(yè)設(shè)備上，由于整個產(chǎn)品生命周期很長，需要長時間的技術(shù)支持，某些產(chǎn)品應(yīng)用甚至能長達(dá)20年之久。由于FRAM的可靠性比EEPROM更高，寫入次數(shù)比其他非易失性存儲器高幾個數(shù)量級，因此在工業(yè)領(lǐng)域是更加理想的存儲器。以工業(yè)機(jī)器人為例，一方面可以高效、準(zhǔn)確且可重復(fù)地執(zhí)行手動任務(wù)，另一方面目前機(jī)器人開始普及用于工廠及商業(yè)設(shè)施中。智能工廠對工業(yè)機(jī)器人提出了更多的需求，需要能收集和分析有關(guān)自身的數(shù)據(jù)，以提高生產(chǎn)力、服務(wù)質(zhì)量和可靠性，同時降低總體總擁有成本。

從可靠性來看，工業(yè)機(jī)器人必須能夠從各種電源事件中恢復(fù)，電源恢復(fù)以后機(jī)器人內(nèi)部的軟件系統(tǒng)已重置，機(jī)器人也可以從停止的位置立即恢復(fù)操作。每臺電機(jī)都必須能夠保存關(guān)鍵參數(shù)和數(shù)據(jù)狀態(tài)，包括機(jī)械臂的旋轉(zhuǎn)角度和位置。同樣，控制器需要維護(hù)詳細(xì)的控制日志，記錄每個軸的操作參數(shù)，包括其命令位置、編碼器值和有效載荷。此外，控制器必須保持伺服電機(jī)記錄跟蹤速度、扭矩、電機(jī)反饋傳感（即電流、位置、速度）和運(yùn)動角度?？煽康赜涗浰羞@些數(shù)據(jù)需要某種形式的非易失性存儲器，以便數(shù)據(jù)不會因斷電而丟失。

這個是非常重要的應(yīng)用場景，在這里英飛凌FRAM產(chǎn)品包括各種接口和多種密度，像工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的串行和并行接口，工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的封裝類型，以及4Kbit～ 4Mbit等密度，有很好的工業(yè)應(yīng)用場景。除了在上述的工業(yè)機(jī)器人中使用，還在醫(yī)療監(jiān)護(hù)、環(huán)境監(jiān)控、飛行器、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。FRAM無需損耗均衡、外置電池、將關(guān)鍵數(shù)據(jù)保存在FRAM中的設(shè)計，成為工業(yè)控制器中主流的實現(xiàn)方式；確保在任何意外發(fā)生瞬間，都可重現(xiàn)斷點(diǎn)過程數(shù)據(jù)，保障設(shè)備及生產(chǎn)安全，減少損失。無電池的設(shè)計也使得設(shè)備無需進(jìn)行備件維護(hù)，降低運(yùn)維成本。

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小結(jié)：F-RAM 的存儲器的特點(diǎn)

事實上，F(xiàn)-RAM 擁有無限耐用性與其實時性、非易失性、高吞吐量和可靠的數(shù)據(jù)捕獲相結(jié)合，使其成為針對汽車和工業(yè)應(yīng)用中高性能數(shù)據(jù)記錄的非易失性存儲器的強(qiáng)大選擇。由于F-RAM在各種掉電事故中，都能保證數(shù)據(jù)能存下來，確實是一種很好的存儲器選擇。

審核編輯 ：李倩