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nand闪存用在车为什么汽车会选择NAND闪存作为存储介质

发布时间 : 2024-10-11

作者 : 小编

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为什么汽车会选择NAND闪存作为存储介质

根据乘联会相关数据表示，新能源汽车的销售量和在整体汽车市场中的销售占比都在逐年攀高，2022年1-10月共销售出443.2万辆新能源汽车。同时，乘联会公布的2022年10月乘用车新四化指数，其中电动化指数为30.1%；智能化指数为44.3%；网联化指数为58.8%。这也就意味着，当月新发车型当中：有三分之一是新能源汽车，一半以上具备联网功能，五分之二拥有L1或以上的自动驾驶功能。

（图源自：乘用车市场信息联席会）

随着智能化、电动化、网联化浪潮的推进，汽车应用对NAND闪存的需求不断增加。从最初的信息娱乐系统再到引擎控制，在汽车智能化进程的加速下，闪存在汽车领域中的应用越来越广泛，逐渐覆盖到驾驶辅助系统、数字仪表盘和更高性能的信息娱乐系统，无一不对闪存提出了更高的需求。

消费存储市场中，闪存产品所带来的高性能为电脑、手机等设备带来了更强的性能提升。而在汽车系统中，存储不单单需要大容量、高性能来应对传感器和信息娱乐系统的需求，同时也需要为车载存储的独特使用环境所考虑，比如复杂多样路况所带来的震动、高低温、多系统虚拟化分区应用以及各个国家地区对车辆部件所制定的规范标准。

在车辆运行过程中，难免遇到特殊路况，机械硬盘因为其结构限制，磁头遇到剧烈的震动就会对磁盘造成损伤从而引起数据丢失或者硬盘损坏。也正因为这个原因，衍生了一系列针对车载机械硬盘抗震的技术，包括机械减震（油囊、弹簧、硅胶等）和电子减震（数据缓存，加速度传感器等）。虽然以上措施能够很大程度降低硬盘由振动导致的车载硬盘故障，但在实际使用中依然存在一定的故障率。

基于NAND闪存所打造的存储设备因为内部没有可活动的零部件，可以将抗震抗冲击等级大幅度提高，更谈不上使用外部技术进行抗震辅助，既大大降低了车载存储设备的故障率，也将数据安全提高到了新的等级。NAND闪存的访问时间和传输速度也远远优于机械硬盘，在驾驶辅助系统、中控系统、信息娱乐系统中，能以更快的响应速度来完成车辆所要求的及时性要求。

随着NAND闪存堆叠层数的增加，单颗NAND中容量也越来越大，以往机械硬盘需要2.5英寸空间实现200G存储容量，NAND闪存则仅需要20mm x 16mm尺寸就能实现高达1TB的容量，更能为急剧增加的车载传感器提供充足数据存储空间。

汽车的功能越来越多，每个功能都有单独的ECU来进行检测和运行，ECU的增加会导致其所需的零部件数量增加，进而导致车辆系统的复杂性和成本相应的增加。尤其对于电动汽车来说，ECU和周边零部件的增加会为汽车续航带来更为严重的挑战。因此，汽车设计开始由每个功能配备单个ECU转变为单个ECU处理多项任务的集中式架构，这也意味着ECU的计算能力需要提升，与之协同工作的存储设备也要速度更快、更安全。

值得注意的是，在汽车电子电器系统中，不同功能的实现对于底层的操作系统的要求也不一样。根据ISO26262标准，汽车仪表系统和动力系统相关，要求高实时性、高可靠性和高安全性，主要以QNX操作系统为主，而信息娱乐系统主要为车内人机交互提供控制平台，主要以Linux和Android为主。因此，不同的功能、不同的操作系统都需在集中化架构中运行在同一个计算平台，也就要求着集中式架构中的存储设备需要具备虚拟化技术。

传统的虚拟化系统中，大量的资源和时间损耗在VMM（Hypervisor）软件层面，使得高性能的NAND闪存设备的优势难以彻底发挥。而支持SR-IOV虚拟化技术的NAND闪存设备则让存储设备能够直接与虚拟机进行交互，减轻物理主机CPU负担的同时可实现接近原生存储的速度，在多个ECU之间共享单个存储资源配置。

在更高的抗震抗冲击、更短访问时间、更高传输速度、更小体积实现更大容量、极端温度下的可靠运行、先进的SR-IOV虚拟化技术等一系列优点的加持，以及NAND闪存技术近几年发展使其成本越加合理的趋势带动下，使得NAND闪存取代了传统机械结构硬盘成为现在以及未来智能驾驶汽车的首选存储介质。

NAND闪存设备以多样化的方式进入现代汽车领域，来适应更多不同的应用，因此汽车制造商希望其选择的NAND闪存设备具有高性能、高可靠性，以及与汽车寿命相匹配的数据留存年限。

作为NAND闪存存储设备的大脑，慧荣科技车用级 PCIe NVMe SSD 控制器具有上述所有功能，还提供内置SR-IOV功能，允许在多达8个不同的功能模块中共享单个高性能SSD以降低成本。同时也为满足车用行业及客户需求，慧荣科技车载主控芯片及单芯片存储解决方案，在固件设计上符合ASPICE标准，硬件上通过AEC-Q100标准和ISO 9000/9001标准，以及ISO26262标准认证，确保其规范化。

随着驾驶辅助系统、新一代中控系统、5G等技术的融入，未来汽车需要实现更丰富的娱乐系统，更强的中控电脑和数字驾驶舱，更完备事件记录系统，更多的传感器和辅助驾驶决策，NAND存储提供了快速、坚固和安全的存储解决方案。慧荣科技基于NAND闪存提供适用于各类汽车应用的闪存解决方案产品组合，打造全球最可靠且最完整的车用存储方案，致力满足全球车用存储客户的需求，促进未来车用存储发展。

串行NAND在汽车电子领域的应用

NOR Flash多年来一直作为汽车的一种可靠技术，如今已应用于各种汽车系统，包括仪表集群、信息娱乐和远程信息系统。

在这些应用程序中，这种非易失性内存为应用程序代码提供了存储容量，提供了可靠的操作和足够快的读取速度来支持实时执行(Execute-in-Place, XiP)，即主机处理器直接从Flash运行代码，绕过外部DRAM。

NOR Flash在ADAS概念的新兴实现中也扮演着重要角色，ADAS概念在现有的汽车中已经实现了半自治的高速公路驾驶功能，如自适应巡航控制和车道保持。自动驾驶技术的发展速度非常快，因此在未来几年里，越来越多的汽车程序将由包含Flash的电子系统控制。

在ADAS，以及仪表集群和其他地方，Flash是安全关键系统中的一个组件:这样一个系统的任何不受控制的故障都有可能使车辆变得不安全或无法控制。为管理及减低系统未能按指定操作的风险，汽车业界已实施ISO26262功能安全标准，其中包括:

在设计阶段强制要求对系统设计功能失效的方式进行严格分析

为整个系统指定非常低的最大故障率

要求系统可靠、快速地检测功能故障

要求系统采用可靠的方法安全生存，并从任何可预见的功能故障中恢复

因此，汽车系统原始设备制造商开始要求开发一种新的Flash集成电路，这种电路能够比前几代设备更好地支持系统级的功能安全设计要求。本文研究了传统的Flash集成电路的工作模式，并说明了新汽车串行Flash产品如果要完全支持系统设计者遵守ISO26262标准的努力，将需要提供的特征。

这些功能性的安全特性很可能在串行或闪存(目前在嵌入式系统中用于引导代码存储的闪存类型)和单级Cell (SLC) NAND闪存中都可以看到。实际上，对于不需要很高的程序/擦除周期，也不需要实现XiP的应用程序中的代码存储，串行NAND是NOR Flash的有效替代方案。华邦电子（华邦电子）的SLC NAND技术采用46nm工艺制造，该工艺已被证明是高质量，在功能性安全应用方面优于采用新的、更小的几何形状制造的系列NAND产品。它还提供的数据保留期可与55-65nm或闪存相媲美。

串行NAND的优势在于其固有的低成本——一个NAND闪存单元比NOR闪存单元小四倍。与NOR Flash相比，NAND Flash的写入时间要短得多，因此在执行无线(OTA)软件更新的系统中，它是一项有价值的技术。由华邦电子提供的车载纠错码(ECC)引擎和支持跨页面和块边界的高速连续/顺序读取能力，串行NAND现在正被汽车功能安全应用程序的设计者纳入考虑范围。

诊断数据的重要性

需要说明的是，NOR闪存技术非常可靠，而且设备的运行寿命是可预测的。而Flash集成电路没有在该领域证明自己的品质，汽车原始设备制造商对这项技术的偏爱是基于其在当今道路上数百万辆汽车上的使用经验。ISO 26262标准规定了四个“ASIL”等级(汽车安全完整性等级)的可靠性和其他参数。最严格的等级ASIL-D适用于最安全关键的系统，如转向系统或刹车系统，它将系统级的最大故障率设置为<10 FIT(在时间上的故障)，即每十亿个设备小时的故障率。

单点和潜在故障的最低检出率，以及ISO 26262标准规定的最大故障率

尽管如此，汽车制造商为遵循ISO 26262的合规性，要求找到一种方法来识别NOR闪存IC理论上仍然可能发生的任何故障。在传统设备中，用户无法获得维持数据完整性和数据保留的功能。这种封闭操作与功能安全原则相冲突，功能安全原则要求主机系统监视部件的故障，或监视表明可能发生故障的不正常行为，并执行旨在保持正常功能的应对措施。

这意味着NOR Flash IC在ISO 26262兼容系统中使用时，必须向主机控制器提供诊断数据，并提供主机修改IC操作的方法，以应对数据显示的更高的故障风险。

NOR Flash IC的两个主要特性提供了这些数据:

ECC引擎，它通过检测和纠正读操作中的位错误来维护数据的完整性

允许对ECC引擎的运行进行定期测试的用户模式

ECC数据如何支持功能性安全操作

在传统的NOR Flash IC中，ECC引擎在后台运行，以多字节粒度检测和纠正位错误，不通知主机控制器。然而，事实上，这些ECC[1]数据可以以各种方式促进功能性安全合规。ECC引擎能够纠正单位错误(当主数据位和奇偶校验位之间只有单位差异时);检测(但不纠正)双位错误。

通过向主机控制器提供状态寄存器，NOR闪存设备可以指示最近的读操作是否有三种可能的结果之一:

1.良好的数据，不需要纠错

2.修正错误后的良好数据

3.无法纠正的错误数据

这些“事后”信息可用于帮助维护长期的数据完整性。但ISO 26262要求汽车系统在出现故障时进行检测，并立即采取相应措施。来自华邦电子的新型自动NOR Flash IC，可通过专用错误引脚提供实时错误信息。此引脚可以被断言，以指示无法纠正的数据的确切位置。用户还可以选择错误pin是表示纠正的单比特错误，还是表示检测到的不可纠正的双比特错误。

然后，主机可以使用来自状态寄存器、错误pin或两者的信息来构建错误寄存器——实际上是NOR Flash阵列的“映射”，记录位错误的位置。然后，主机可以设置一个阈值，以便当某个位置(例如某个特定块)发生的错误数量超过这个阈值时，该位置就从内存中“退休”了。

识别潜在故障的方法

到目前为止，上述所描述的措施是关于单点故障处理，ISO 26262标准为每个ASIL等级指定了最低检出率。但该标准还要求汽车系统检测“潜在故障”。潜在故障本身并没有违反功能安全要求，但是它可以与第二个故障一起违反这些要求。

在NOR Flash IC中，存在潜在的潜在故障- ECC引擎故障就是一个例子。正常运行时，NOR Flash技术可靠性高，很少需要纠错。因此，只要ECC引擎故障不会导致它错误地纠正好位，故障通常不会引起注意。但是，当由于ECC引擎故障(一个潜在的故障)导致单个坏位未得到纠正时，这两个故障的组合将对功能安全构成风险。

为了检测潜在的ECC引擎故障，华邦电子的automotive NOR Flash IC提供了特殊用户模式和ECC编码器读取命令:这使用户能够将主数据模式注入到内存中，并从ECC引擎中读取主数据和它生成的奇偶校验数据。如果奇偶校验数据不正确，可以将ECC引擎标记为错误。

同样，用户模式可用于检查ECC解码操作:在用户模式下，用户将主数据和奇偶校验数据加载到ECC引擎中，并使用特殊的ECC解码器Read命令将主数据读回。在主数据和奇偶校验数据中可能会引入单位和双位错误，检查ECC引擎是否正确执行单位错误校正和双位错误检测。华邦电子的建议是，每次系统启动时都应该执行ECC引擎检查。

新的安全功能可用于生产部件

为了满足ADAS产品和其他汽车系统制造商的需求，华邦电子现在正在将上述功能安全特性集成到一个新汽车NOR Flash系列产品中。Quad 3V系列具有最大80MB/s的数据传输速率，可用于256mbit和512mbit密度的采样。1Gbit 3V部件(两个堆叠的512Mbit模具)将在2020年下半年面世。

华邦电子还将在2020年提供高密度(512Mbit和1Gbit) 1.8V的NOR闪存设备，部分设备将有四进制或八进制接口。

串行NAND具有快速的OTA更新写入时间

华邦电子还提供了一系列具有功能性安全特性的NAND产品:3V和1.8V产品均可用于512Mbits和1Gbit采样密度，以及由两个堆叠的1Gbit模具组成的2Gbit部件。华邦电子的第一代串行NAND系列提供的最大吞吐率为40MB/s(在1.8V部件中)，在3V部件中为52MB/s。第二代NAND系列产品W25N01JW/W25N02JW产品在1.8V部分提供了更高的80MB/s吞吐量。这是在Quad DTR(数据传输速率)模式下实现的，并且是连续的数据输出，在页面和块边界上没有间隙。华邦电子最近还推出了W35N01JW，这是一款1Gbit的1.8V八进制NAND闪存设备，读取速度为240MB/s，比W25N01JW快三倍。

华邦电子系列NAND产品，如1Gbit 3V W25N01GV，通过向状态寄存器提供信息来支持功能性安全合规性，该状态寄存器显示在有无ECC的情况下读出的数据是否正确或者是否不可纠正。串行NAND页面大小为2kbytes，在扇区级别提供1-bit嵌入式ECC(512字节)。这意味着在2kbyte页面上最多可以执行4-bit的校正。华邦电子串行NAND还提供了在用户命令提示时读取失败页面位置的功能。

通过为功能性安全应用程序提供SPI NOR和串行NAND解决方案，华邦电子为用户提供了根据其设计要求选择适当的闪存类型的自由。

[1] ECC是“Error Correcting Code”的简写，ECC是一种能够实现“错误检查和纠正”的技术，ECC内存就是应用了这种技术的内存，一般多应用在服务器及图形工作站上，可提高计算机运行的稳定性和增加可靠性。

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