h1_key

隨著汽車工業(yè)研發(fā)的不斷發(fā)展和汽車電子EE架構本身的演變，區(qū)域計算率得到了提高，并與云計算相結合。在此背景下，邊緣計算的處理已成為下一代智能汽車的必要條件。復雜高效的數(shù)據(jù)共享能力和車輛內外集成系統(tǒng)是各汽車公司投資的垂直集成技術。關鍵信息需要可再現(xiàn)事故過程的數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)EDR(EventDataRecorder)寫下來，這個俗稱“汽車黑匣子”，主要記錄汽車在撞擊前、撞擊時、撞擊后三個階段的關鍵運行數(shù)據(jù)，如行駛速度、方向盤轉向速度、車輛制動狀態(tài)等參數(shù)，為交通事故的研究分析提供客觀準確的數(shù)據(jù)。

  汽車電子技術的發(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注和選擇呢?

圖1 EDR下的汽車存儲器需求

  1、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行關鍵數(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成，而汽車里面有大量的關鍵數(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。

  2、汽車的存儲要求

  這個領域應用的存儲器要應對很高的要求。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，對于設計保存機制會存在困難

  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，汽車存儲器的技術標準在不斷變化，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。

  當然在這種應用中，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)的應用。把一個或兩個字節(jié)寫入存儲器的隨機位置時，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，是應用鐵電薄膜的自發(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

  源自浮柵技術的傳統(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遠優(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。

  3、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(鐵電隨機存取存儲器或 FeRAM)是一種獨立的非易失性存儲器，可在電源中斷時立即捕獲和保存關鍵數(shù)據(jù)。它們是關鍵任務數(shù)據(jù)記錄應用的理想選擇，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)護設備。F-RAM 采用低功耗、小尺寸設計，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汽車的應用場景

  在整個使用場景，存儲器的應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)(里程和關鍵信息)，電池管理系統(tǒng)、行車記錄儀、娛樂系統(tǒng)和網(wǎng)關系統(tǒng)。事實上，如果設計考究，在很多地方都可以使用這種存儲器。

  3.2 主要的優(yōu)點

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，目前在汽車應用領域，能找到更多的適合FRAM 的應用，可以替代傳統(tǒng)的EEPROM產(chǎn)品。

  4、F-RAM 工業(yè)上的應用

  在工業(yè)設備上，由于整個產(chǎn)品生命周期很長，需要長時間的技術支持，某些產(chǎn)品應用甚至能長達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)領域是更加理想的存儲器。以工業(yè)機器人為例，一方面可以高效、準確且可重復地執(zhí)行手動任務，另一方面目前機器人開始普及用于工廠及商業(yè)設施中。智能工廠對工業(yè)機器人提出了更多的需求，需要能收集和分析有關自身的數(shù)據(jù)，以提高生產(chǎn)力、服務質量和可靠性，同時降低總體總擁有成本。

  從可靠性來看，工業(yè)機器人必須能夠從各種電源事件中恢復，電源恢復以后機器人內部的軟件系統(tǒng)已重置，機器人也可以從停止的位置立即恢復操作。每臺電機都必須能夠保存關鍵參數(shù)和數(shù)據(jù)狀態(tài)，包括機械臂的旋轉角度和位置。同樣，控制器需要維護詳細的控制日志，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記錄跟蹤速度、扭矩、電機反饋傳感(即電流、位置、速度)和運動角度?？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)標準的串行和并行接口，工業(yè)標準的封裝類型，以及4Kbit～ 4Mbit等密度，有很好的工業(yè)應用場景。除了在上述的工業(yè)機器人中使用，還在醫(yī)療監(jiān)護、環(huán)境監(jiān)控、飛行器、交通運輸?shù)阮I域有廣泛的應用。FRAM無需損耗均衡、外置電池、將關鍵數(shù)據(jù)保存在FRAM中的設計，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)斷點過程數(shù)據(jù)，保障設備及生產(chǎn)安全，減少損失。無電池的設計也使得設備無需進行備件維護，降低運維成本。

  小結：F-RAM 的存儲器的特點

F-RAM存儲器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)捕獲相結合，使其成為針對汽車和工業(yè)應用中高性能數(shù)據(jù)記錄的非易失性存儲器的強大選擇。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。