在現(xiàn)代汽車(chē)系統(tǒng)中，由于高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)、圖形儀表、車(chē)身控制和信息娛樂(lè)系統(tǒng)的快速發(fā)展，系統(tǒng)的復(fù)雜度日益增加。為了確保這些系統(tǒng)在各種條件下都能穩(wěn)定、安全地運(yùn)行，非易失性存儲(chǔ)器(Non-Volatile Memory, NVM)扮演了關(guān)鍵角色。非易失性存儲(chǔ)器在斷電或系統(tǒng)復(fù)位后仍能保留數(shù)據(jù)，這對(duì)于存儲(chǔ)關(guān)鍵的可執(zhí)行代碼、校準(zhǔn)參數(shù)、安全信息以及安全防護(hù)數(shù)據(jù)至關(guān)重要。

市場(chǎng)上主流的非易失性存儲(chǔ)器類(lèi)型

NOR Flash

NOR Flash 適用于存儲(chǔ)執(zhí)行代碼，提供快速的直接執(zhí)行能力，且讀取速度較快。其優(yōu)勢(shì)在于可以讓處理器直接在芯片上執(zhí)行代碼(即 XiP，eXecute In Place)，這極大地提高了系統(tǒng)的啟動(dòng)速度和代碼執(zhí)行效率，無(wú)需將代碼先復(fù)制到速度更快但成本更高的 SRAM 中。然而，NOR Flash 的寫(xiě)入速度相對(duì)較慢，存儲(chǔ)密度也相對(duì)較低，這使得它在需要大容量存儲(chǔ)的場(chǎng)景中不太適用。

NAND Flash

NAND Flash 以其高存儲(chǔ)密度和成本效益著稱(chēng)，適合大量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。在汽車(chē)的多媒體存儲(chǔ)、地圖數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等需要大容量存儲(chǔ)空間的應(yīng)用中，NAND Flash 發(fā)揮著重要作用。不過(guò)，它在訪問(wèn)速度和編程 / 擦除周期上不如 NOR Flash，NAND Flash 的擦除操作通常以塊為單位，且擦寫(xiě)次數(shù)有限，隨著使用次數(shù)增加，出現(xiàn)壞塊的概率會(huì)上升，需要復(fù)雜的壞塊管理機(jī)制。

EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read - Only Memory)

EEPROM 具備可多次擦寫(xiě)的特性，適用于存儲(chǔ)小量需要頻繁更新的數(shù)據(jù)，如配置參數(shù)。其操作相對(duì)簡(jiǎn)單，能夠在較低電壓下進(jìn)行讀寫(xiě)操作，并且在斷電后數(shù)據(jù)能長(zhǎng)期保存。但 EEPROM 的存儲(chǔ)容量一般較小，寫(xiě)入速度較慢，尤其是在進(jìn)行大量數(shù)據(jù)寫(xiě)入時(shí)，耗時(shí)較長(zhǎng)，而且其擦寫(xiě)壽命通常在 10 萬(wàn)次左右，對(duì)于一些需要極高擦寫(xiě)次數(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景，可能無(wú)法滿足需求。

FRAM (Ferroelectric Random Access Memory)

FRAM 擁有高速讀寫(xiě)能力和高耐用性，數(shù)據(jù)保存時(shí)間長(zhǎng)，適合需要低功耗和高速寫(xiě)入的應(yīng)用。它結(jié)合了隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)的快速讀寫(xiě)特性和非易失性存儲(chǔ)器的優(yōu)點(diǎn)，寫(xiě)入速度比 EEPROM 快得多，幾乎可以實(shí)時(shí)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。在汽車(chē)的安全氣囊控制模塊、行車(chē)記錄儀等對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)速度要求極高的場(chǎng)景中，F(xiàn)RAM 表現(xiàn)出色。其擦寫(xiě)次數(shù)可達(dá) 100 億次以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò) EEPROM 和閃存，并且在低功耗方面也有出色表現(xiàn)，適用于汽車(chē)在休眠或備用電源供電時(shí)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

MRAM (Magnetic Random Access Memory)

MRAM 結(jié)合了 RAM 的高速讀寫(xiě)和 NVM 的數(shù)據(jù)持久性。它基于磁性隧道結(jié)(MTJ)技術(shù)，通過(guò)改變磁性材料的磁矩方向來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。MRAM 具有快速的讀寫(xiě)速度，接近 SRAM，同時(shí)具備非易失性，無(wú)需像 DRAM 那樣定期刷新，數(shù)據(jù)保存時(shí)間長(zhǎng)。不過(guò)，目前 MRAM 的成本較高，限制了其在一些對(duì)成本敏感的汽車(chē)應(yīng)用中的廣泛使用，但在一些高性能、對(duì)存儲(chǔ)性能要求苛刻的應(yīng)用，如高端汽車(chē)的動(dòng)力系統(tǒng)控制單元中具有應(yīng)用潛力。

NVSRAM (Non - Volatile Static Random Access Memory)

NVSRAM 結(jié)合了 SRAM 的高速訪問(wèn)和非易失性，適用于需要快速存取且保持?jǐn)?shù)據(jù)的場(chǎng)合。它通常通過(guò)在 SRAM 基礎(chǔ)上增加備用電源或采用特殊的存儲(chǔ)單元設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)非易失性。在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，NVSRAM 如同 SRAM 一樣提供高速的數(shù)據(jù)讀寫(xiě)操作;當(dāng)系統(tǒng)斷電時(shí)，備用電源或特殊機(jī)制能夠?qū)?SRAM 中的數(shù)據(jù)保存下來(lái)，確保數(shù)據(jù)不丟失。這種存儲(chǔ)器在一些對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性和可靠性要求極高的汽車(chē)應(yīng)用，如發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元的關(guān)鍵數(shù)據(jù)緩存中具有應(yīng)用價(jià)值。

選擇非易失性存儲(chǔ)器的關(guān)鍵因素

存儲(chǔ)器密度

根據(jù)系統(tǒng)的需求來(lái)決定需要多少存儲(chǔ)空間。例如，隨著汽車(chē)信息娛樂(lè)系統(tǒng)的功能不斷豐富，需要存儲(chǔ)大量的音頻、視頻文件以及地圖數(shù)據(jù)等，此時(shí)就需要高存儲(chǔ)密度的存儲(chǔ)器，如 NAND Flash。而對(duì)于一些僅需存儲(chǔ)少量配置參數(shù)和校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的車(chē)身控制模塊，較小容量的 EEPROM 或 FRAM 即可滿足需求。如果選擇的存儲(chǔ)器密度過(guò)低，可能導(dǎo)致系統(tǒng)存儲(chǔ)容量不足，無(wú)法滿足未來(lái)功能擴(kuò)展的需求;而選擇過(guò)高密度的存儲(chǔ)器，又可能造成成本浪費(fèi)。

讀寫(xiě)帶寬

對(duì)于需要快速加載程序或?qū)崟r(shí)處理數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，高讀寫(xiě)速度的存儲(chǔ)器是必要的。比如在 ADAS 系統(tǒng)中，需要實(shí)時(shí)處理大量來(lái)自攝像頭、雷達(dá)等傳感器的數(shù)據(jù)，此時(shí) NOR Flash 的快速讀取特性以及 FRAM 的高速寫(xiě)入能力就非常重要。如果讀寫(xiě)帶寬不足，會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)處理延遲，影響系統(tǒng)的響應(yīng)速度和性能，在 ADAS 系統(tǒng)中甚至可能危及行車(chē)安全。

接口頻率

確保存儲(chǔ)器的接口速度與處理器或微控制器的接口兼容，以優(yōu)化系統(tǒng)性能。不同類(lèi)型的存儲(chǔ)器接口頻率不同，如 SPI 接口的 NOR Flash、FRAM 等，其接口頻率相對(duì)較低，適用于一些對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速率要求不是特別高的應(yīng)用;而像 HyperFlash 等采用高速接口的存儲(chǔ)器，則適用于對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速度要求極高的圖形儀表等系統(tǒng)。若接口頻率不匹配，可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸瓶頸，無(wú)法充分發(fā)揮存儲(chǔ)器和處理器的性能。

耐久性

根據(jù)數(shù)據(jù)更新的頻率，選擇能夠承受多次寫(xiě)入 / 擦除操作的存儲(chǔ)器。例如，在電動(dòng)汽車(chē)的電池管理系統(tǒng)中，需要頻繁記錄電池的充放電狀態(tài)、溫度等數(shù)據(jù)，此時(shí) FRAM 的高擦寫(xiě)次數(shù)特性就使其成為理想選擇。而如果使用 EEPROM，由于其有限的擦寫(xiě)壽命，可能在車(chē)輛使用壽命內(nèi)就出現(xiàn)存儲(chǔ)單元損壞，導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失或系統(tǒng)故障。

數(shù)據(jù)保存

在無(wú)電源的情況下，存儲(chǔ)器應(yīng)能長(zhǎng)時(shí)間保持?jǐn)?shù)據(jù)不丟失，這對(duì)于安全相關(guān)數(shù)據(jù)尤為重要。例如汽車(chē)的故障診斷數(shù)據(jù)、安全氣囊觸發(fā)記錄等，這些數(shù)據(jù)需要在車(chē)輛發(fā)生事故甚至斷電后仍能完整保存，以便后續(xù)分析事故原因和進(jìn)行車(chē)輛維修。一般來(lái)說(shuō)，主流的非易失性存儲(chǔ)器在正常環(huán)境下都能保證數(shù)年甚至數(shù)十年的數(shù)據(jù)保存時(shí)間，但在高溫、高濕度等惡劣環(huán)境下，不同類(lèi)型存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)保存能力可能會(huì)有所差異，需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境進(jìn)行選擇。

電源模式管理

在汽車(chē)系統(tǒng)中，電源管理是關(guān)鍵，因此存儲(chǔ)器應(yīng)支持低功耗模式，以適應(yīng)不同工作狀態(tài)。汽車(chē)在行駛過(guò)程中、停車(chē)熄火但電氣系統(tǒng)待機(jī)以及長(zhǎng)時(shí)間停放等不同狀態(tài)下，對(duì)功耗的要求不同。例如，在汽車(chē)長(zhǎng)時(shí)間停放時(shí)，為了避免電池電量過(guò)度消耗，整個(gè)電氣系統(tǒng)會(huì)進(jìn)入低功耗休眠模式，此時(shí)存儲(chǔ)器也需要進(jìn)入相應(yīng)的低功耗模式，僅消耗極少的電量來(lái)維持?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)。像 FRAM 和 NVSRAM 在低功耗模式下表現(xiàn)出色，能夠滿足汽車(chē)電源管理的要求。

總結(jié)

選擇汽車(chē)系統(tǒng)中的非易失性存儲(chǔ)器是一個(gè)綜合考慮系統(tǒng)需求、性能指標(biāo)和成本效益的過(guò)程。設(shè)計(jì)者必須根據(jù)應(yīng)用的具體要求，比如實(shí)時(shí)性、數(shù)據(jù)安全性、系統(tǒng)復(fù)雜性和生命周期成本，來(lái)選取最合適的存儲(chǔ)解決方案。隨著汽車(chē)技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)非易失性存儲(chǔ)器的性能要求也將不斷提高，新的存儲(chǔ)器技術(shù)和產(chǎn)品也將不斷涌現(xiàn)，工程師們需要持續(xù)關(guān)注行業(yè)動(dòng)態(tài)，以便為汽車(chē)系統(tǒng)選擇最先進(jìn)、最適用的非易失性存儲(chǔ)器，推動(dòng)汽車(chē)電子系統(tǒng)的不斷進(jìn)步和創(chuàng)新。