EE架构演变和工业机器人发展对存储的新需求

随着汽车行业的研发不断向前发展，以及汽车电子EE架构本身的演变，使得区域算力提升，并且和云端计算结合。在这样的背景下，边沿计算的处理已成为下一代智能汽车所必须。复杂高效的互联互通能力以及车辆内外部的集成系统是每个车企重点投资的垂直整合技术。而关键的信息，需要被可重现事故过程的数据记录系统 EDR (Event Data Recorder) 记录下来，这个俗称 “汽车黑匣子”主要记录车辆在碰撞前、碰撞时、碰撞后三个不同阶段中汽车的关键运行数据，例如行车速度、方向盘转向速度、车辆制动状态等参数，为交通事故的调查分析提供客观、准确的数据。

汽车电子技术的发展，使得电子系统需要使用存储器，那么在这里存储到底有哪些作用呢？哪些存储器值得大家关注和选择呢？

图1 EDR下的汽车存储器需求

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汽车的记录要求

EDR：即Event Data Recorder，指汽车事件数据记录系统，用于记录车辆碰撞前、碰撞时、碰撞后三个阶段中汽车的运行关键数据。EDR 是用来记录车辆发生事故时的行车数据，其参数信息主要来自 CAN 总线和其他传感器。EDR 系统主要由碰撞传感器、CAN 通信模块、控制存储单元等部分构成，而汽车里面有大量的关键数据需要存储，这些数据对于事故的追踪中扮演着尤其重要的作用。

控制存储单元是 EDR 硬件系统的核心，它要求能够接收加速度计的信号以及车辆 CAN 总线状态，且存储于自身 RAM 存储器，并锁定于片上 Flash 存储器中，这就需要控制单元具有较快的处理速度和较大的 RAM和 Flash 空间。

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汽车的存储要求

这个领域应用的存储器要应对很高的要求。首先也是最重要的是，存储系统必须能够在车辆事故中保存下来——由于碰撞可能导致汽车的低压系统断电，存储需要一种无需连接电源即可保存数据的原生非易失性存储器。除此之外，记录数据的存储必须满足一些严格的条件。

2.1  汽车存储器的基本要求

1）非易失性：这是基本要求，数据得记下来

2）恶劣环境下的生存性：碰撞以后，存储器的数据得保存下来

3）工作时间和寿命：汽车的生命周期很长，在车旧了以后存储器也需要能工作

4）低功耗：如果功耗太高，对于设计保存机制会存在困难

5）刷写快：碰撞的时间很短，如果电源断电，数据需要快速写上去

2.2  不同特性的差异在哪里？

现在的存储器件对快速刷写的特性要求越来越高，从Flash、EEPROM到F-RAM，汽车存储器的技术标准在不断变化，主要的维度还是更快的刷写。对于自动辅助驾驶系统而言，把数据快速存下来很方便。F-RAM存储器（结合了RAM和ROM的优势）比EEPROM拥有更多优势，主要是不需要写等待时间，几乎可以实时存储重要数据(实际10us存储时间)；相比之下，EEPROM通常需要超过10毫秒的写入等待时间。

当然在这种应用中，具备无写延迟和高速时钟速度也是必要的，才能适合需要快速写入大量数据的应用。把一个或两个字节写入存储器的随机位置时，写入周期约为1微秒，对比EEPROM或闪存，大概需要5-10毫秒的写入周期。

图2  F-RAM 与EEPROM 写数据的对比

FRAM（Ferroelectric RAM）存储单元的基本原理是铁电效应，是应用铁电薄膜的自发性极化形式储存的铁电存储器件，由于FRAM通过外部电场控制铁电电容器的自发性极化。

图3  FRAM技术

源自浮栅技术的传统可写非易失性存储器使用电荷泵来开发片上高压，通过让载流子通过栅氧化层，写入延迟长，写入功率高，写入操作实际上对存储单元具有破坏性。浮栅器件无法支持超过10^6次访问的写入，FRAM的写入次数可达10^10次方，与EEPROM的10^6次相比，高出1万倍以上。

FRAM在写入速度和功率方面都远远优于浮栅器件。对于时钟频率为20MHz的典型串行EEPROM，写入256位（32字节页面缓冲区）需要5毫秒，写入整个64Kb需要1283.6毫秒。对于等效的FRAM，256位仅需14µs，写入整个64Kb仅需3.25ms。此外，将64Kb写入EEPROM需要3900µJ，而将64Kb写入F-RAM需要17µJ，相差超过229倍。

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Excelon F-RAM存储器

英飞凌推出具有业界最高密度全新1Mbit-16Mbit的 Excelon F-RAM存储器（铁电存储器），支持QSPI 接口， 最高可以支持时钟为108Mhz， 读写速率最高为54MB/s。通过可满足下一代汽车和工业系统的永久数据采集要求，从而有助于防止在恶劣的操作环境中丢失数据。

FRAM（铁电随机存取存储器或 FeRAM）是一种独立的非易失性存储器，可在电源中断时立即捕获和保存关键数据。它们是关键任务数据记录应用的理想选择，例如需要高可靠性控制和吞吐量的高性能可编程逻辑控制器 (PLC)，或延长生命的患者监护设备。F-RAM 采用低功耗、小尺寸设计，可提供即时非易失性和几乎无限的耐用性，而不会影响速度或能效。

图4  对比的情况

3.1  汽车的应用场景

在整个使用场景，存储器的应用广泛覆盖了各种传感器带来的数据，比如自动辅助驾驶、仪表系统（里程和关键信息），电池管理系统、行车记录仪、娱乐系统和网关系统。事实上，如果设计考究，在很多地方都可以使用这种存储器。

3.2  主要的优点

FRAM凭借高速读写入、高读写耐久性、低功耗和防篡改方面的优势，目前在汽车应用领域，能找到更多的适合FRAM 的应用，可以替代传统的EEPROM产品。

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F-RAM 工业上的应用

在工业设备上，由于整个产品生命周期很长，需要长时间的技术支持，某些产品应用甚至能长达20年之久。由于FRAM的可靠性比EEPROM更高，写入次数比其他非易失性存储器高几个数量级，因此在工业领域是更加理想的存储器。以工业机器人为例，一方面可以高效、准确且可重复地执行手动任务，另一方面目前机器人开始普及用于工厂及商业设施中。智能工厂对工业机器人提出了更多的需求，需要能收集和分析有关自身的数据，以提高生产力、服务质量和可靠性，同时降低总体总拥有成本。

从可靠性来看，工业机器人必须能够从各种电源事件中恢复，电源恢复以后机器人内部的软件系统已重置，机器人也可以从停止的位置立即恢复操作。每台电机都必须能够保存关键参数和数据状态，包括机械臂的旋转角度和位置。同样，控制器需要维护详细的控制日志，记录每个轴的操作参数，包括其命令位置、编码器值和有效载荷。此外，控制器必须保持伺服电机记录跟踪速度、扭矩、电机反馈传感（即电流、位置、速度）和运动角度。可靠地记录所有这些数据需要某种形式的非易失性存储器，以便数据不会因断电而丢失。

这个是非常重要的应用场景，在这里英飞凌FRAM产品包括各种接口和多种密度，像工业标准的串行和并行接口，工业标准的封装类型，以及4Kbit～ 4Mbit等密度，有很好的工业应用场景。除了在上述的工业机器人中使用，还在医疗监护、环境监控、飞行器、交通运输等领域有广泛的应用。FRAM无需损耗均衡、外置电池、将关键数据保存在FRAM中的设计，成为工业控制器中主流的实现方式；确保在任何意外发生瞬间，都可重现断点过程数据，保障设备及生产安全，减少损失。无电池的设计也使得设备无需进行备件维护，降低运维成本。

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小结：F-RAM 的存储器的特点

事实上，F-RAM 拥有无限耐用性与其实时性、非易失性、高吞吐量和可靠的数据捕获相结合，使其成为针对汽车和工业应用中高性能数据记录的非易失性存储器的强大选择。由于F-RAM在各种掉电事故中，都能保证数据能存下来，确实是一种很好的存储器选择。