作者：英飛凌汽車電子生態圈 原作者： 賴德海， 張樹平
隨著汽車行業的研發不斷向前發展，以及汽車電子EE架構本身的演變，使得區域算力提升，並且和雲端計算結合。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。複雜高效的互聯互通能力以及車輛內外部的集成系統是每個車企重點投資的垂直整合技術。而關鍵的信息，需要被可重現事故過程的數據記錄系統 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、碰撞後三個不同階段中汽車的關鍵運行數據，例如行車速度、方向盤轉向速度、車輛制動狀態等參數，為交通事故的調查分析提供客觀、準確的數據。
汽車電子技術的發展，使得電子系統需要使用存儲器，那麼在這裡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？
EDR：即Event Data Recorder，指汽車事件數據記錄系統，用於記錄車輛碰撞前、碰撞時、碰撞後三個階段中汽車的運行關鍵數據。EDR 是用來記錄車輛發生事故時的行車數據，其參數信息主要來自 CAN 總線和其他傳感器。EDR 系統主要由碰撞傳感器、CAN 通信模塊、控制存儲單元等部分構成，而汽車裡面有大量的關鍵數據需要存儲，這些數據對於事故的追蹤中扮演著尤其重要的作用。
控制存儲單元是 EDR 硬體系統的核心，它要求能夠接收加速度計的信號以及車輛 CAN 總線狀態，且存儲於自身 RAM 存儲器，並鎖定於片上 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。
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，存儲系統必須能夠在車輛事故中保存下來——由於碰撞可能導致汽車的低壓系統斷電，存儲需要一種無需連接電源即可保存數據的原生非易失性存儲器。除此之外，記錄數據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，數據得記下來
2）惡劣環境下的生存性：碰撞以後，存儲器的數據得保存下來
3）工作時間和壽命：汽車的生命周期很長，在車舊了以後存儲器也需要能工作
4）低功耗：如果功耗太高，對於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，數據需要快速寫上去
2.2 不同特性的差異在哪裡？
現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。對於自動輔助駕駛系統而言，把數據快速存下來很方便。F-RAM存儲器（結合了RAM和ROM的優勢）比EEPROM擁有更多優勢，主要是不需要寫等待時間，幾乎可以實時存儲重要數據(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據的應用。把一個或兩個字節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。
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性極化形式儲存的鐵電存儲器件，由於FRAM通過外部電場控制鐵電電容器的自發性極化。
源自浮柵技術的傳統可寫非易失性存儲器使用電荷泵來開發片上高壓，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，FRAM的寫入次數可達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於浮柵器件。對於時鐘頻率為20MHz的典型串行EEPROM，寫入256位（32字節頁面緩衝區）需要5毫秒，寫入整個64Kb需要1283.6毫秒。對於等效的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。
英飛凌推出具有業界最高密度全新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系統的永久數據採集要求，從而有助於防止在惡劣的操作環境中丟失數據。
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據。它們是關鍵任務數據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護設備。F-RAM 採用低功耗、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。
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據，比如自動輔助駕駛、儀表系統（里程和關鍵信息），電池管理系統、行車記錄儀、娛樂系統和網關係統。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 主要的優點
FRAM憑藉高速讀寫入、高讀寫耐久性、低功耗和防篡改方面的優勢，目前在汽車應用領域，能找到更多的適合FRAM 的應用，可以替代傳統的EEPROM產品。
在工業設備上，由於整個產品生命周期很長，需要長時間的技術支持，某些產品應用甚至能長達20年之久。由於FRAM的可靠性比EEPROM更高，寫入次數比其他非易失性存儲器高几個數量級，因此在工業領域是更加理想的存儲器。以工業機器人為例，一方面可以高效、準確且可重複地執行手動任務，另一方面目前機器人開始普及用於工廠及商業設施中。智能工廠對工業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據，以提高生產力、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，工業機器人必須能夠從各種電源事件中恢復，電源恢復以後機器人內部的軟體系統已重置，機器人也可以從停止的位置立即恢復操作。每台電機都必須能夠保存關鍵參數和數據狀態，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誌，記錄每個軸的操作參數，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。可靠地記錄所有這些數據需要某種形式的非易失性存儲器，以便數據不會因斷電而丟失。
這個是非常重要的應用場景，在這裡英飛凌FRAM產品包括各種接口和多種密度，像工業標準的串行和並行接口，工業標準的封裝類型，以及4Kbit～ 4Mbit等密度，有很好的工業應用場景。除了在上述的工業機器人中使用，還在醫療監護、環境監控、飛行器、交通運輸等領域有廣泛的應用。FRAM無需損耗均衡、外置電池、將關鍵數據保存在FRAM中的設計，成為工業控制器中主流的實現方式；確保在任何意外發生瞬間，都可重現斷點過程數據，保障設備及生產安全，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。
事實上，F-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據捕獲相結合，使其成為針對汽車和工業應用中高性能數據記錄的非易失性存儲器的強大選擇。由於F-RAM在各種掉電事故中，都能保證數據能存下來，確實是一種很好的存儲器選擇。
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