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隨著汽車工業(yè)研發(fā)的不斷發(fā)展和汽車電子EE架構(gòu)本身的演變，區(qū)域計(jì)算率得到了提高，并與云計(jì)算相結(jié)合。在此背景下，邊緣計(jì)算的處理已成為下一代智能汽車的必要條件。復(fù)雜高效的數(shù)據(jù)共享能力和車輛內(nèi)外集成系統(tǒng)是各汽車公司投資的垂直集成技術(shù)。關(guān)鍵信息需要可再現(xiàn)事故過(guò)程的數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)EDR(EventDataRecorder)寫下來(lái)，這個(gè)俗稱“汽車黑匣子”，主要記錄汽車在撞擊前、撞擊時(shí)、撞擊后三個(gè)階段的關(guān)鍵運(yùn)行數(shù)據(jù)，如行駛速度、方向盤轉(zhuǎn)向速度、車輛制動(dòng)狀態(tài)等參數(shù)，為交通事故的研究分析提供客觀準(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(chǔ)器，那么在這里存儲(chǔ)到底有哪些作用呢?哪些存儲(chǔ)器值得大家關(guān)注和選擇呢?

圖1 EDR下的汽車存儲(chǔ)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(shí)、碰撞后三個(gè)階段中汽車的運(yùn)行關(guān)鍵數(shù)據(jù)。EDR 是用來(lái)記錄車輛發(fā)生事故時(shí)的行車數(shù)據(jù)，其參數(shù)信息主要來(lái)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(chǔ)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(chǔ)，這些數(shù)據(jù)對(duì)于事故的追蹤中扮演著尤其重要的作用。

控制存儲(chǔ)單元是 EDR 硬件系統(tǒng)的核心，它要求能夠接收加速度計(jì)的信號(hào)以及車輛 CAN 總線狀態(tài)，且存儲(chǔ)于自身 RAM 存儲(chǔ)器，并鎖定于片上 Flash 存儲(chǔ)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(chǔ)要求

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

  2.1 汽車存儲(chǔ)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(lái)

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

  3)工作時(shí)間和壽命：汽車的生命周期很長(zhǎng)，在車舊了以后存儲(chǔ)器也需要能工作

  4)低功耗：如果功耗太高，對(duì)于設(shè)計(jì)保存機(jī)制會(huì)存在困難

  5)刷寫快：碰撞的時(shí)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(chǔ)器件對(duì)快速刷寫的特性要求越來(lái)越高，從Flash、EEPROM到F-RAM，汽車存儲(chǔ)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(duì)于自動(dòng)輔助駕駛系統(tǒng)而言，把數(shù)據(jù)快速存下來(lái)很方便。F-RAM存儲(chǔ)器(結(jié)合了RAM和ROM的優(yōu)勢(shì))比EEPROM擁有更多優(yōu)勢(shì)，主要是不需要寫等待時(shí)間，幾乎可以實(shí)時(shí)存儲(chǔ)重要數(shù)據(jù)(實(shí)際10us存儲(chǔ)時(shí)間);相比之下，EEPROM通常需要超過(guò)10毫秒的寫入等待時(shí)間。

  當(dāng)然在這種應(yīng)用中，具備無(wú)寫延遲和高速時(shí)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(gè)或兩個(gè)字節(jié)寫入存儲(chǔ)器的隨機(jī)位置時(shí)，寫入周期約為1微秒，對(duì)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(duì)比

  FRAM(Ferroelectric RAM)存儲(chǔ)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(chǔ)存的鐵電存儲(chǔ)器件，由于FRAM通過(guò)外部電場(chǎng)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(chǔ)器使用電荷泵來(lái)開發(fā)片上高壓，通過(guò)讓載流子通過(guò)柵氧化層，寫入延遲長(zhǎng)，寫入功率高，寫入操作實(shí)際上對(duì)存儲(chǔ)單元具有破壞性。浮柵器件無(wú)法支持超過(guò)10^6次訪問(wèn)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(wàn)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(duì)于時(shí)鐘頻率為20MHz的典型串行EEPROM，寫入256位(32字節(jié)頁(yè)面緩沖區(qū))需要5毫秒，寫入整個(gè)64Kb需要1283.6毫秒。對(duì)于等效的FRAM，256位僅需14μs，寫入整個(gè)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(guò)229倍。

  3、Excelon F-RAM存儲(chǔ)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(chǔ)器(鐵電存儲(chǔ)器)，支持QSPI 接口， 最高可以支持時(shí)鐘為108Mhz， 讀寫速率最高為54MB/s。通過(guò)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(chǔ)器或 FeRAM)是一種獨(dú)立的非易失性存儲(chǔ)器，可在電源中斷時(shí)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(zhǎng)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(jì)，可提供即時(shí)非易失性和幾乎無(wú)限的耐用性，而不會(huì)影響速度或能效。

圖4 對(duì)比的情況

  3.1汽車的應(yīng)用場(chǎng)景

  在整個(gè)使用場(chǎng)景，存儲(chǔ)器的應(yīng)用廣泛覆蓋了各種傳感器帶來(lái)的數(shù)據(jù)，比如自動(dòng)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(lè)系統(tǒng)和網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)。事實(shí)上，如果設(shè)計(jì)考究，在很多地方都可以使用這種存儲(chǔ)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(shì)，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。

  4、F-RAM 工業(yè)上的應(yīng)用

  在工業(yè)設(shè)備上，由于整個(gè)產(chǎn)品生命周期很長(zhǎng)，需要長(zhǎng)時(shí)間的技術(shù)支持，某些產(chǎn)品應(yīng)用甚至能長(zhǎng)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(chǔ)器高幾個(gè)數(shù)量級(jí)，因此在工業(yè)領(lǐng)域是更加理想的存儲(chǔ)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(dòng)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(duì)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(shí)降低總體總擁有成本。

  從可靠性來(lái)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(tái)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(gè)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(dòng)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(chǔ)器，以便數(shù)據(jù)不會(huì)因斷電而丟失。

  這個(gè)是非常重要的應(yīng)用場(chǎng)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(chǎng)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(wú)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(jì)，成為工業(yè)控制器中主流的實(shí)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(guò)程數(shù)據(jù)，保障設(shè)備及生產(chǎn)安全，減少損失。無(wú)電池的設(shè)計(jì)也使得設(shè)備無(wú)需進(jìn)行備件維護(hù)，降低運(yùn)維成本。

  小結(jié)：F-RAM 的存儲(chǔ)器的特點(diǎn)

F-RAM存儲(chǔ)器擁有無(wú)限耐用性與其實(shí)時(shí)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(duì)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(chǔ)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(lái)，確實(shí)是一種很好的存儲(chǔ)器選擇。