淺談汽車半導(dǎo)體高性能存儲應(yīng)用需求

隨著新能源汽車產(chǎn)業(yè)和自動駕駛技術(shù)的推廣，汽車半導(dǎo)體市場正迎來黃金發(fā)展時(shí)期。有資料顯示，對于 L1 到 L5 等級的自動駕駛而言，在 L1 時(shí)自動駕駛的半導(dǎo)體成本只有約 150 美金，到 L3 等級提升至 600 美金，上升到 L4、L5 等級，整車的半導(dǎo)體成本將會達(dá)到 1200 美金。而這個(gè)快速增長的市場中，存儲產(chǎn)品和技術(shù)并不為主流媒體關(guān)注。富士通電子元器件(上海)有限公司產(chǎn)品管理部總監(jiān)馮逸新也在一次活動中表示：“隨著新基建的部署，充電樁的普及將快速促進(jìn)新能源汽車的普及，無論是樁側(cè)還是車側(cè)，未來都將催生更多的高性能存儲應(yīng)用需求?！痹摴咀鳛榉且资詢?nèi)存FRAM的市場主力提供商，正以滿足汽車市場需求最佳的性能迎來市場增長的甜蜜期。作為已經(jīng)量產(chǎn)FRAM 20年之久，出貨超過41億顆的富士通，其自2017年開始先后推出多款可在高達(dá)125℃高溫環(huán)境下運(yùn)作的車規(guī)級FRAM產(chǎn)品，經(jīng)過僅僅兩年時(shí)間的市場推廣，目前已成功打入了東風(fēng)、金龍、宇通、上汽通用五菱、華晨寶馬、一汽、御捷、江淮、奇瑞等整車廠的諸多Tier-1、Tier-2供應(yīng)鏈。

富士通AEC-Q100 Grade 1車規(guī)級FRAM產(chǎn)品線

極高耐久性、可靠性和極低遲延，特別的存儲器給特別的汽車應(yīng)用

隨著5G、車聯(lián)網(wǎng)等概念的興起，整車ADAS、車載娛樂等功能正逐漸成為新一代智能汽車的標(biāo)配，而多傳感器融合以及大屏、多屏顯示賦能下的車載軟硬件系統(tǒng)無疑需要搭載更多的車載存儲器。同時(shí)，這些存儲器由于分布于各種不同類型的車載終端和硬件系統(tǒng)當(dāng)中充當(dāng)圖像、視頻甚至語音等數(shù)據(jù)內(nèi)容的核心載體，其用量以及數(shù)據(jù)儲存特性方面的需求往往大相徑庭——或者經(jīng)常進(jìn)行數(shù)據(jù)擦寫，或者需要更長的循環(huán)壽命，或者需要超高可靠性，等等。所以，要想成功打入車載存儲市場，幾乎沒有一個(gè)完全的方案，獨(dú)特性能滿足特定應(yīng)用場景存儲需求的細(xì)分市場受到關(guān)注。

以新能源汽車中最核心技術(shù)之一VCU（整車控制單元）為例，VCU是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，通過采集電機(jī)及電池狀態(tài)、加速踏板信號、制動踏板信號及其它執(zhí)行器傳感器控制器信號，可根據(jù)駕駛員的駕駛意圖綜合分析并做出相應(yīng)判定后，監(jiān)控下層的各部件控制器的動作。它負(fù)責(zé)汽車的正常行駛、制動能量回饋、整車發(fā)動機(jī)及動力電池的能量管理、網(wǎng)絡(luò)管理、故障診斷及處理、車輛狀態(tài)監(jiān)控等，從而保證整車在較好的動力性、較高經(jīng)濟(jì)性及可靠性狀態(tài)下正常穩(wěn)定的工作，可謂是汽車的大腦。

FRAM在整車控制單元VCU中的應(yīng)用

“VCU系統(tǒng)需要以每秒一次的速度去記錄汽車行駛的當(dāng)前狀態(tài)以及發(fā)生故障時(shí)的變速器擋位、加速狀況、剎車和輸出扭矩等信息，而采用FRAM可以通過更簡單的軟件進(jìn)行存儲與讀取，同時(shí)保證高速和高可靠性?！瘪T逸新介紹道。今年5月，富士通最新推出了車規(guī)級產(chǎn)品MB85RS2MLY，可在-40°C至+125°C溫度范圍內(nèi)達(dá)到10兆次讀/寫次數(shù)，非常適合需要實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)記錄的應(yīng)用（比如連續(xù)10年每天每0.1秒記錄一次數(shù)據(jù)，則寫入次數(shù)將超過30億），可謂具有極高的數(shù)據(jù)寫入耐久性和可靠性。

這些特性對于作為新能源汽車另一大核心技術(shù)的BMS（電池管理系統(tǒng)）來說同樣至關(guān)重要。BMS需要實(shí)時(shí)記錄數(shù)據(jù)和存儲數(shù)據(jù)，其系統(tǒng)將以每秒或每0.1秒的頻率實(shí)時(shí)和連續(xù)地記錄電池單元的重要數(shù)據(jù)（故障信息，健康狀況SOH和電量計(jì)量SOC等），同時(shí)監(jiān)控電池的短期（最后幾個(gè)充電周期60次/秒）和長期（整個(gè)電池壽命）電池性能。據(jù)馮逸新介紹：“舉個(gè)簡單的例子，電池單元電量一般維持在30%~75%之間表示正常運(yùn)作，如有不均衡的情況則需從別的單元補(bǔ)充過來，這時(shí)系統(tǒng)需要檢測記錄電池單元的電量、溫度、電壓、電流等等數(shù)據(jù)，而且單次監(jiān)測記錄的時(shí)間不能間隔太長?！?/p>

因此，通過采用FRAM，汽車制造商能夠大幅降低系統(tǒng)復(fù)雜度并提高數(shù)據(jù)完整性。事實(shí)上，F(xiàn)RAM的身影目前已經(jīng)遍布諸如安全氣囊數(shù)據(jù)儲存(Airbag)、事故數(shù)據(jù)記錄器(EDR)、新能源車CAN盒子(CAN-BOX)、新能源車載終端(T-BOX)、胎壓監(jiān)測(TPMS)、汽車駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)及導(dǎo)航與信息娛樂系統(tǒng)(infotainment)等新能源汽車關(guān)鍵電子系統(tǒng)。

車規(guī)級FRAM，是滿足汽車電子可靠性和無遲延要求的最佳存儲器選擇

他山之石可以攻玉，F(xiàn)RAM這樣應(yīng)對充電樁存儲痛點(diǎn)

今年3月，中國提出要求加快5G網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)中心等新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)進(jìn)度，在隨后披露的新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)七大領(lǐng)域中，新能源充電樁名列其中。據(jù)《賽迪顧問》數(shù)據(jù)顯示，截止2019年12月中國充電樁保有量達(dá)到121.9萬臺，車樁比約為3.4：1，遠(yuǎn)低于《電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展指南（2015-2020）》規(guī)劃的1：1，保守估計(jì)未來10年，中國充電樁建設(shè)缺口將高達(dá)6300萬。相比加油站，充電樁能夠承載更多的信息，除電流外，還有信息流、資金流等等。作為車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集的重要端口，充電樁網(wǎng)絡(luò)的大面積建成必將成為未來社會交通系統(tǒng)的重要信息平臺。

因此，充電樁數(shù)據(jù)的記錄和存儲非常重要。作為給新能源汽車提供電能的配套產(chǎn)品，充電樁在運(yùn)行過程中需要處理大量的參數(shù)，通過系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)和事件信息，實(shí)現(xiàn)設(shè)備集中遠(yuǎn)程監(jiān)控，為設(shè)備故障診斷提供必要的數(shù)據(jù)支持，也為電站綜合管理提供全面的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和各類統(tǒng)計(jì)報(bào)表。為此，所有數(shù)據(jù)必須進(jìn)行統(tǒng)一的采集、查看和分析，并提供設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測、危險(xiǎn)警告與通知、數(shù)據(jù)查詢分析、設(shè)備運(yùn)行總額和管理等功能。

“充電樁生產(chǎn)商需要挑選合適的存儲產(chǎn)品予以應(yīng)對，其數(shù)據(jù)存儲的應(yīng)用需求與智能表計(jì)非常相似?！瘪T逸新指出，“目前，F(xiàn)RAM存儲器在智能電表行業(yè)已經(jīng)作為標(biāo)準(zhǔn)存儲器被廣泛采用，其具備的三大優(yōu)勢是許多同類型存儲器無法比擬的?！瘪T逸新所說的FRAM三大優(yōu)勢分別是高速寫入、耐久性以及低功耗。與EEPROM對比，F(xiàn)RAM寫入次數(shù)壽命高達(dá)10萬億次，而EEPROM僅有百萬次(10^6)。富士通FRAM寫入數(shù)據(jù)可在150ns內(nèi)完成，速度約為EEPROM的30,000倍。寫入一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)的功耗僅為150nJ，約為EEPROM的1/400，在電池供電應(yīng)用中具有巨大的優(yōu)勢。

FRAM、EEPROM、FLASH主要參數(shù)對比

FRAM不僅能夠進(jìn)行高速寫入，同樣也能夠?qū)崿F(xiàn)高速擦除。以保障數(shù)據(jù)安全為例，若遇到黑客違法盜取及分析充電樁的機(jī)密數(shù)據(jù)，將導(dǎo)致大范圍的信息泄露。對此，低功耗和高速的FRAM可以利用小型電池電源，瞬間消去重要數(shù)據(jù)，從而確保用戶的信息安全。這時(shí)，F(xiàn)RAM僅需0.1mA的工作電流，就能夠在0.3ms的時(shí)間內(nèi)擦除256bit的數(shù)據(jù)，相比EEPROM擁有顯著的優(yōu)勢。

FRAM、EEPROM、FLASH工作電流與消去時(shí)間對比

滿足差異化市場需求，打造全覆蓋存儲產(chǎn)品陣列

盡管FRAM比傳統(tǒng)的Flash、EEPROM在讀寫耐久性、寫入的速度和功耗等方面都更具有優(yōu)勢，但其同樣有著成本較高、容量不高的不足。為此，富士通重點(diǎn)推出了可與FRAM產(chǎn)品形成市場互補(bǔ)的另外兩大存儲產(chǎn)品——可變電阻式隨機(jī)存取內(nèi)存ReRAM和納米隨機(jī)存儲器NRAM，以滿足更多差異化需求。

ReRAM可以實(shí)現(xiàn)對大容量EEPROM的完全替代。2019年8月富士通成功研發(fā)MB85AS8MT——這是全球最高密度8Mbit ReRAM產(chǎn)品，其采用SPI介面并與EEPROM相容的非揮發(fā)性記憶體，能在1.6至3.6伏特之間的廣泛電壓范圍運(yùn)作，在5MHz工作頻率下僅需0.15mA讀取資料。“目前全球只有兩家公司能夠量產(chǎn)ReRAM,富士通是其中之一。”馮逸新說到，“EEPROM容量最大只有2Mb，且在一些情況下功耗太高。我們量產(chǎn)的4Mb、8Mb產(chǎn)品可以滿足有這些需求的EEPROM客戶，同時(shí)能保證價(jià)格與EEPROM 2Mb接近。”

富士通ReRAM推出時(shí)間

按照規(guī)劃，富士通預(yù)計(jì)會在2021年前后帶來16Mbit甚至32Mbit ReRAM產(chǎn)品，屆時(shí)將進(jìn)一步滿足企業(yè)和客戶對各種特殊應(yīng)用的需求。

NRAM則兼具FRAM的高速寫入、高讀寫耐久性（比NOR Flash高1000倍），又具備與NOR Flash相當(dāng)?shù)拇笕萘颗c造價(jià)成本并實(shí)現(xiàn)很低的功耗（待機(jī)模式時(shí)功耗幾乎為零），同時(shí)可靠性非常高，在80度時(shí)存儲數(shù)據(jù)時(shí)限高達(dá)1000年，在300度時(shí)亦可達(dá)到10年。談到NRAM在車載存儲的應(yīng)用時(shí)，馮逸新指出：“目前的基于FRAM的車規(guī)級IC高溫承受范圍在125度，而NRAM卻可以達(dá)到150度，因此，未來基于NRAM的IC身影將有望出現(xiàn)在汽車發(fā)動機(jī)中?！弊鳛镹RAM的第一代產(chǎn)品，富士通16Mbit的DDR3 SPI接口產(chǎn)品最快將于2020年底上市。

可以看到，通過打造完善的FRAM、ReRAM、NRAM三線產(chǎn)品陣列，富士通能夠?qū)崿F(xiàn)對于傳統(tǒng)存儲產(chǎn)品EEPROM和NOR FLASH的完全替代，屆時(shí)勢必引發(fā)存儲行業(yè)的新一輪洗牌。

總結(jié)

可以預(yù)見，未來汽車半導(dǎo)體市場需求將產(chǎn)生極大增量，特別是2020年注定將是國內(nèi)新能源汽車相關(guān)電子產(chǎn)品市場與技術(shù)變革的關(guān)鍵一年。據(jù)馮逸新介紹，未來汽車自動駕駛的發(fā)展注定越來越廣，對數(shù)據(jù)處理和存儲的要求將會達(dá)到非常高的程度。在車聯(lián)網(wǎng)存儲領(lǐng)域，富士通會推出更多產(chǎn)品線，使三大技術(shù)加持的相關(guān)產(chǎn)品能夠應(yīng)對日漸豐富的汽車等級和應(yīng)用場景，為客戶提供更多選擇。
編輯：hfy