超高寫入速度的QspiNAND：汽車OTA升級(jí)新選擇

作者：華邦電子（美洲）技術(shù)總監(jiān)Anil Gupta

近日，寶馬集團(tuán)宣布將對(duì)全球逾75萬輛汽車進(jìn)行OTA（Over-The-Air Technology）升級(jí)，將車內(nèi)的寶馬7.0操作系統(tǒng)升級(jí)到最新版本。升級(jí)內(nèi)容涉及數(shù)字化服務(wù)、駕駛輔助、電氣、底盤和動(dòng)力系統(tǒng)等模塊。如今，進(jìn)行汽車遠(yuǎn)程OTA升級(jí)已不再是造車新勢力們的“專利”。在傳統(tǒng)汽車陣營，上汽通用也在和寶馬一樣進(jìn)行OTA升級(jí)。由此可見，OTA升級(jí)正迅速發(fā)展成為未來智能汽車的必備功能。這主要有兩個(gè)原因：

首先，隨著汽車系統(tǒng)程序代碼的指數(shù)級(jí)增長，汽車越來越多地成為網(wǎng)絡(luò)攻擊的目標(biāo)。通過軟件實(shí)現(xiàn)駕駛輔助功能的汽車，如果系統(tǒng)軟件遭到黑客攻擊或篡改，那么在自動(dòng)駕駛模式下，駕駛員和乘客都將面臨危險(xiǎn)。通過OTA 更新，系統(tǒng)可迅速將安全補(bǔ)丁安裝至有風(fēng)險(xiǎn)的固件中，從而更加有效地保障行車安全。其次，采用OTA升級(jí)更具成本優(yōu)勢和便利性。不僅可以幫助車主節(jié)省時(shí)間、省去麻煩，還能幫助制造商與維修中心節(jié)約更新成本。OTA更新的成本近乎為零，因此制造商們可通過更高頻次的軟件系統(tǒng)升級(jí)來持續(xù)提升汽車的整體價(jià)值。

傳統(tǒng)上，SPI NOR 閃存因其高可靠性、高數(shù)據(jù)完整性和長期數(shù)據(jù)保留的能力成為程序代碼存儲(chǔ)的常規(guī)選擇。但在最近的電子工程研究發(fā)表及技術(shù)會(huì)議上，考慮使用串行NAND閃存替代SPI NOR的相關(guān)討論，引起了廣泛關(guān)注。

圖1：Audi A7車款的“自動(dòng)駕駛概念”，圖中顯示新車款設(shè)計(jì)中的傳感器數(shù)組。

（圖片出處：AUDI AG）

擦除與寫入速度更快

OTA更新必須足夠安全、可靠，而且最重要的是速度要快。速度對(duì)用戶來說至關(guān)重要，因?yàn)槠囋谶M(jìn)行更新時(shí)無法使用。另外，更新過程越短，汽車與原廠數(shù)據(jù)中心之間網(wǎng)絡(luò)連接由于故障而中斷或停用的可能性就越低。針對(duì)加速軟件更新，新的串行NAND閃存產(chǎn)品比SPI NOR閃存具有更明顯的優(yōu)勢?？焖賹懭胧谴蠳AND閃存的固有優(yōu)勢，即使沒有采用專屬的加速技術(shù)也是如此。

OTA更新作業(yè)分兩個(gè)階段執(zhí)行：首先，將舊程序代碼從內(nèi)存中擦除，然后寫入新的程序代碼。如圖2中數(shù)據(jù)顯示，串行NAND的擦除速度大約是SPI NOR的100倍。而且，華邦高性能QspiNAND（Quad SPI NAND）閃存的編程速度大約比市面上最高速的SPI NOR閃存快五倍。從寫入處理速度來說，串行NAND閃存比SPI NOR閃存還要快十倍以上。

這代表，如果將前置攝像頭的2Gb軟件堆棧存儲(chǔ)在由兩個(gè)W25N01JW芯片組成的單片W25N02JW設(shè)備中，則編程時(shí)間僅需35秒。而將相同的程序代碼存儲(chǔ)在采用W25H02JV的SPI NOR閃存數(shù)組，則需要22分鐘。

圖2：SPI NOR與QspiNAND閃存設(shè)備的寫入速度比較。（數(shù)據(jù)來源：華邦）

除了擦除和編程速度的優(yōu)勢，華邦車規(guī)級(jí)QspiNAND閃存基于SLC（Single Level Cell）架構(gòu)，該架構(gòu)采用通過驗(yàn)證且穩(wěn)定可靠的46納米制程，具備與SPI NOR閃存不相上下的數(shù)據(jù)完整性和耐用度。華邦SLC NAND閃存可在汽車的整個(gè)使用壽命期間提供高度可靠的性能，從而保障對(duì)汽車應(yīng)用而言至關(guān)重要的安全性。

優(yōu)化啟動(dòng)速度

OTA升級(jí)耗時(shí)是決定汽車啟動(dòng)速度的關(guān)鍵。正常情況下，駕駛員都希望在按下“啟動(dòng)”后的幾秒鐘內(nèi)，汽車系統(tǒng)就能準(zhǔn)備就緒——因而啟動(dòng)速度是汽車制造商極為重視的關(guān)鍵參數(shù)。但是，代碼所占汽車內(nèi)存的大小會(huì)影響啟動(dòng)速度及編程速度。以車載前置攝像頭等ADAS產(chǎn)品為例，啟動(dòng)時(shí)，程序代碼會(huì)從閃存下載到LPDDR4等DRAM內(nèi)，而此類產(chǎn)品的代碼需占據(jù)512Mb以上的內(nèi)存。出于提升OTA流程速度的目的，汽車制造廠商被鼓勵(lì)采用串行NAND閃存，以實(shí)現(xiàn)512Mb以上的大型代碼的高速寫入。

如圖2所示，華邦QspiNAND閃存產(chǎn)品的性能與標(biāo)準(zhǔn)SPI NOR閃存的相近。兩者的讀取處理速度均為80MB/s，可以在1.5秒內(nèi)下載ECU的1Gb程序代碼，這樣的表現(xiàn)可滿足汽車應(yīng)用的需求。但如果ECU內(nèi)含2Gb的程序代碼，則下載時(shí)間將增加到3秒，進(jìn)一步延長了車輛的總啟動(dòng)時(shí)間。針對(duì)這部分需求，最新的NAND閃存技術(shù)或許是更合適的選擇（請見圖3）：華邦的OctalNAND閃存的每位單位成本優(yōu)勢比Octal NOR閃存更優(yōu)，在寫入處理速度上也具備優(yōu)勢。但得益于與DRAM類似的x8接口，OctalNAND提供更高的讀取處理速度（240MB/s）。使用OctalNAND閃存下載整個(gè)2Gb程序代碼只需要1秒，足以滿足任何汽車制造商對(duì)于啟動(dòng)時(shí)間要求。

圖3：華邦電子的OctalNAND閃存可在汽車應(yīng)用中賦能快速啟動(dòng)。（圖片出處：華邦）

W35N-JW OctalNAND零件采用符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的8mm x 6mm BGA封裝，與串行NOR閃存產(chǎn)品在尺寸上兼容，而且與目前市場上的Xccela?閃存及Octal Flash NOR產(chǎn)品引腳完全兼容。

更具成本優(yōu)勢

總體而言，NOR閃存每存儲(chǔ)位占用的芯片面積比NAND閃存的更大（串行NAND閃存單元的面積為4F2，NOR閃存為10F2）。芯片面積影響封裝零件的成本，但非完全線性關(guān)系：當(dāng)容量小于512Mb時(shí)，芯片上用于控制邏輯和接口面積比例較高，因此NAND每單位成本對(duì)總成本影響較小。但當(dāng)容量大于512Mb時(shí)，存儲(chǔ)數(shù)組會(huì)占據(jù)大量的芯片面積，因此，相較于相同容量的SPI NOR閃存，單元尺寸更小的NAND閃存更具成本優(yōu)勢。例如在汽車前置攝像頭1-2Gb的程序代碼的存儲(chǔ)應(yīng)用中，采用串行NAND閃存的成本是同等級(jí)SPI NOR閃存成本的一半。此外，最新的串行序列NAND閃存技術(shù)擁有更高寫入處理速度，使其比SPI NOR閃存的優(yōu)勢更明顯。

與同等級(jí)的SPI NOR閃存相比，使用QspiNAND閃存存儲(chǔ)512Mb以上的汽車程序代碼可省下約50%的成本。此外，汽車制造商現(xiàn)在還發(fā)現(xiàn)QspiNAND和OctalNAND能大幅縮短寫入時(shí)間，這對(duì)優(yōu)化OTA升級(jí)的體驗(yàn)甚為關(guān)鍵。

更重要的是，在向ECU寫入大量程序代碼時(shí)，QspiNAND更短的寫入時(shí)間亦有助于提高工廠的效率和處理速度。這讓汽車制造商可從另一個(gè)角度考量，在涉及安全和關(guān)鍵任務(wù)的應(yīng)用中，舍棄傳統(tǒng)SPI NOR閃存能為代碼存儲(chǔ)帶來的好處。