车用非易失存储差异分析&场景推荐（上）
2021-12-26
中国电源产业网
导语：英飞凌具有30年的非易失性存储设计生产技术积累与严格高标准的质量管控体系，针对这些不同应用的不同场景提供了部分相对应的车规级别高性能、大容量、高质量的外置非易失性存储器，以保证在车辆运行的严酷环境条件下依然保证数据的可靠性、稳定性和高吞吐能力，助力新一代汽车电子设计并为汽车智能化网联化不断提供可供信赖的解决方案。
随着汽车智能化网联化以及汽车电子电气架构的不断演进，越来越多的嵌入式系统以及控制器被应用到车身及车辆控制的各个部分中。这些子系统与模块的加入导致车辆系统设计日益复杂，不同模块会选择相应种类的非易失性存储器以满足上下电期间的日志存储、校准参数存储、关键信息记录、启动代码保存以及软件在线升级回滚备份的需求。
本文将从常见车用非易失性存储器的种类介绍开始，分析比较各种外置非易失性存储器的差异，总结不同应用场景中如何选择合适的器件。
存储器通常按照数据保存属性而分为易失性存储器和非易失性存储器。易失性存储器上存储的数据仅在当前上电周期内保存，下电后或是复位后数据丢失(或不保证正确性)，更多用于数据缓存和内存扩展来使用；而非易失存储器上存储的数据可以保证上下电和复位后依然正确存储，更多用于启动代码、日志及关键数据的存储。
● 常见的非易失存储器可以分为如下几类：
1、只读存储器(ROM, Read Only Memory)
一般情况下，只读存储器上的信息只能读出无法写入。信息一旦写入后就固定下来，即使切断电源，信息也不会丢失，所以又称为固定存储器。ROM所存数据通常是装入整机前写入的，整机工作过程中只能读出，不像随机存储器能快速方便地改写存储内容。随着使用场景不断变化以及对于数据修改的需求不断增加，为便于用户使用和大批量生产，后期进一步发展出可编程只读存储器（PROM, Programmable ROM）、可擦可编程序只读存储器（EPROM, Erasable Programmable ROM）和带电可擦可编程只读存储器（EEPROM, Electrically Erasable Programmable ROM）等不同的种类。
虽然ROM存储器通过不断演变产生出可以重复擦除写入的功能，但是ROM存储器写入和擦除时还是会涉及到高电压或是紫外线照射透明窗等过程，依然存在擦除写入速度慢、成本高和容量低的不足。
2、闪存存储器(Flash)
闪存(Flash)存储器在ROM存储器可以反复擦除写入的基础上，利用存储单元上的电容存储电荷来保证断电后信息仍然可以保存，而且由于其存储机构简单所以集成度得以大幅提升，另外在优化了读写擦机制和颗粒度之后进一步提升了整体吞吐率和性能，因此目前大多数嵌入式系统会选择Flash用于存储bootloader，操作系统，文件系统，程序代码，或者直接存储系统关键数据。
目前闪存(Flash)存储器主要有两种大类NOR Flash和NAND Flash。其主要结构差异如下图所示：
左边的结构存储单元是并行排列且为行列寻址，最小寻址单位是byte，因其逻辑电路近似于“或非门”而得名NOR Flash；右边的结构存储单元是串行排列且为列寻址，最小寻址单位是page(512Byte/1KB/2KB)，因其逻辑电路近似于“与非门”而得名NAND Flash。
NOR Flash架构由于其行列寻址提供了足够多的地址线来映射整个存储器地址，这样的优势是提升了随机访问和短读取性能。由于最小寻址单位可以到byte级别，可以使得SoC/MCU的PC指针直接访问NOR Flash并进行原位运行(XIP, eXecute In Place)直接执行代码，大大提升了数据读取及代码执行效率，这使其成为代码存储和执行的理想选择。另一个优点是从物理结构上避免了出厂时的坏块产生。NOR Flash的密度范围一般从1Mb ~ 8Gb。但是NOR Flash也有一些缺点，包括较大的单元尺寸导致每比特单位成本高于NAND Flash和慢于NAND Flash的写入和擦除速度。
NAND Flash由于简化了内部布线以及采用更高密度的bit堆叠方式，具有更小的单元尺寸和更高的写入和擦除速度。但由于其最小寻址方式为page，导致数据需要在整体读回之后再进行定位，这样最直接的缺点就是慢于NOR Flash的读取速度和更加复杂的I / O映射类型或间接接口，这使得NAND Flash先天随机访问性能的不足。另外，NAND Flash中的代码执行是通过将内容拷贝到RAM上来实现的，这与直接从NOR Flash执行代码不同。另一个主要缺点是存在坏块，NAND Flash通常在产品生命周期内会出现不多于2%的坏块，因此NAND Flash需要额外的坏块管理和ECC(Error Correction Code)纠错功能以保证数据的正确性与可靠性。
NAND Flash相较于NOR Flash的容量密度要高一些，因此其每比特成本相对较低。NAND Flash通常具有1Gb~16Gb的容量，而TLC(Triple Level Cell)结构的NAND Flash甚至可以单芯片达到1Tb的容量。由于NAND Flash具有更高的密度，因此主要用于数据存储场景。
综上所述，NOR Flash是对容量需求不高但需要快速随机读取访问和更高数据可靠性的应用的理想选择，例如代码执行及关键数据的存储。NAND Flash则非常适用于需要更高内存容量和更快写入和擦除操作的大容量数据存储的应用。
NOR Flash和NAND Flash的特性对比表格如下：
3、超低延迟存储器
除了ROM和Flash这两大类以外，为了保证数据安全或是尽可能多的保留事故发生时的数据，目前汽车应用的存储产品中还有一些RAM也支持非易失的特性，常见的例如F-RAM。
F-RAM(Ferroelectric-RAM)即铁电存储器，铁电的存储单元主要包含一层锆钛酸铅铁电薄膜，通常称为PZT(Pb-based Lanthanumdoped Zirconate Titanates)。PZT中的原子在电场中改变极性，从而产生功率高效的二元开关。然而，PZT最重要的方面是它不受电源中断的影响，使F-RAM成为可靠的非易失性存储器。
F-RAM的底层工作原理及其独特的存储单元架构提供了特定的优势，比如长达1014次的循环擦写寿命以及近乎无延时的实时写入速度，使得该技术有区别于其他存储技术的使用场景。
在车辆日益智能化和功能不断丰富的过程中，越来越多的系统模块被设计并使用到车辆运动的感知、控制和决策中。为了确保系统可靠、安全的操作，每个子系统均需要使用特定的非易失性存储器来对数据、参数、日志和代码进行存储。不同系统模块由于功能和属性不同，对外部非易失性存储器提出的要求各不相同。
英飞凌具有30年的非易失性存储设计生产技术积累与严格高标准的质量管控体系，针对这些不同应用的不同场景提供了部分相对应的车规级别高性能、大容量、高质量的外置非易失性存储器，以保证在车辆运行的严酷环境条件下依然保证数据的可靠性、稳定性和高吞吐能力，助力新一代汽车电子设计并为汽车智能化网联化不断提供可供信赖的解决方案。（来源：英飞凌）
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编辑：中国电源产业网
来源：《电源工业》编辑部
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