15.8萬輛特斯拉召回，國產(chǎn)汽車存儲芯片廠商不容錯過的機遇

2021年伊始，美國國家公路交通安全管理局(NHTSA)要求特斯拉公司召回15.8萬輛Model S和Model X汽車，原因是2018年以前的特斯拉Model S和Model X車款采用的MCUv1單元中，搭載的Nvidia Tegra Arm-based SoC以及8GB容量的eMMC閃存。在車輛每次啟動時，都會使用這8GB存儲容量的一部分，eMMC 的硬件在達到存儲容量極限時會發(fā)生故障，導致MCU失效，觸摸屏無法工作。特斯拉也向NHTSA確認，由于內(nèi)存設(shè)備的存儲容量有限，所有設(shè)備都將不可避免地出現(xiàn)故障。

要弄明白這起“待召回”事件，我們首先要清楚什么是閃存？

閃存（NAND Flash）是一種非易失性存儲設(shè)備，具備寫讀速度快、抗震動以及掉電后數(shù)據(jù)不會丟失的特點，被廣泛應(yīng)用于手機、平板、電視、車機中控等智能終端平臺中。

eMMC是一種將控制器捆綁到閃存模塊的標準化方法，產(chǎn)品內(nèi)部包含了Flash管理技術(shù)，包括錯誤探測和糾正，flash平均擦寫，壞塊管理，掉電保護等技術(shù)，提供高性能，輕巧，低功耗、高耐用性和成本效益等。

目前車載多媒體系統(tǒng)的內(nèi)部存儲大多數(shù)是采用嵌入式的eMMC存儲。因為閃存本身的物理電氣特性原因，其使用壽命（Terabytes Written，TBW）會受到擦寫次數(shù)（PE Cycle)的限制，同時受到讀干擾(Read disturb)、數(shù)據(jù)保持(Data retention)、工作環(huán)境溫度變化等因素的影響。eMMC NAND閃存設(shè)備的壽命如超過PE Cycle的次數(shù)，車載MCU將由于閃存磨損而失效，系統(tǒng)可能無法使用，導致汽車相關(guān)的安全功能失效，隨時是一顆“定時炸彈”。

此次“待召回”事件中的特斯拉Model S和Model X車款采用的8GB eMMC NAND閃存設(shè)備，預(yù)期使用壽命約為3000次PE Cycle，平均只需5到6年就會達到了極限，而一般車輛的預(yù)期使用壽命是要遠大于這個年限。

過去車內(nèi)存儲容量多在8G或64G，主要用于電子儀表盤、數(shù)字圖形等內(nèi)容的存儲。然而，5G和邊緣計算的到來對汽車存儲的需求越來越大。大量的感知數(shù)據(jù)、行為數(shù)據(jù)的分析以及娛樂信息都需要被存儲。同時，數(shù)據(jù)處理的本地化和連網(wǎng)化也對eMMC存儲提出更高要求。

車規(guī)級eMMC使用壽命需要多長

閃存(NAND FLASH)顆粒類型可以分為SLC、MLC、TLC、QLC四種，一般SLC的磨損壽命(PE Cycle)在30000~50000次之間，MLC的磨損壽命(PE Cycle)在2000~3000次之間，TLC的磨損壽命(PE Cycle)在300~1500次之間，QLC的磨損壽命(PE Cycle)則低至300次以內(nèi)，超過磨損壽命的存儲單元，將會變得不穩(wěn)定，存儲的數(shù)據(jù)容易丟失。

磨損壽命，也稱為設(shè)備使用壽命，業(yè)內(nèi)以TBW(TerabytesWritten，1TB = 1024GB = 1024*1024MB)表示存儲設(shè)備理論最大支持的數(shù)據(jù)寫入量(理論使用壽命)，以MLC閃存顆粒為例，假設(shè)一個MLC物理塊的PE Cycle為3000，那么容量為8G的eMMC，其實際可用容量為7.28GB，其TBW為 7.28*3000 = 21840GB ≈ 21.32T，假設(shè)使用壽命為6年，那么每天能支持寫入的數(shù)據(jù)量為21840GB/(6*365) ≈ 10GB，這是一顆8G eMMC的理論使用壽命。

另外eMMC實際使用壽命會受到內(nèi)部寫入放大(Write Amplification，WAF)的影響，其實際使用壽命比理論使用壽命要低很多。影響WAF的因素很多，比如上面所說的，讀干擾(Read disturb)、數(shù)據(jù)保持(Data retention)、極端高低溫工作環(huán)境影響，都會引起已存儲數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性變差，存儲算法識別到后需要在數(shù)據(jù)變得不可糾錯前進行內(nèi)部數(shù)據(jù)搬移重寫。還有靜態(tài)磨損均衡(Wear-leveling)處理帶來的額外內(nèi)部數(shù)據(jù)搬移，以及垃圾回收(Garbage Collection)處理進行的內(nèi)部數(shù)據(jù)歸集，這些都會引起WAF的增加，從而導致eMMC實際使用壽命減少。

eMMC實際使用壽命也會受到終端設(shè)備OS每日的數(shù)據(jù)寫入量級的影響，該影響主要體現(xiàn)在設(shè)備的壽命年限上，在同等TBW下，如果OS使用過程中所需存儲的數(shù)據(jù)量越大，設(shè)備的可使用壽命年限越短。

我們通過一款非智能汽車的中控設(shè)備（基于Android系統(tǒng)，具備通用的音樂播放、導航等功能），針對其常用的使用場景過程中，OS對eMMC的數(shù)據(jù)寫入做一下分析。

圖二：開機過程數(shù)據(jù)寫入分布

圖二為汽車中控設(shè)備一次開機過程的數(shù)據(jù)寫入分布情況，整個開機過程數(shù)據(jù)寫入量為29.26MB，其中小于16K的寫命令總共1185次(5.72MB)，大于等于16K的寫命令總共320次(23.54MB)。

圖三：導航過程數(shù)據(jù)寫入分布

圖三為汽車中控設(shè)備使用車載導航3H的數(shù)據(jù)寫入分布情況，整個導航過程數(shù)據(jù)寫入量為593.95MB，其中小于16K的寫命令總共39578次(172.22MB)，大于等于16K的寫命令總共11667次(421.73MB)。

圖四：播放音樂過程數(shù)據(jù)寫入分布

圖四為汽車中控設(shè)備使用車載音樂播放3H的數(shù)據(jù)寫入分布情況，整個播放音樂過程數(shù)據(jù)寫入量為188.58MB，其中小于16K的寫命令總共6402次(30.48MB)，大于等于16K的寫命令總共2916次(158.10MB)。

這是常規(guī)汽車中控平臺在一次啟動汽車并開車導航+播放音樂3個小時的應(yīng)用場景，我們監(jiān)控到OS總共需要寫入eMMC的數(shù)據(jù)量為811.79MB。在自動駕駛汽車的中控平臺上，OS除了需要照顧常用的行車使用場景，同時還需要不斷記錄汽車的各個傳感器、行車影像等數(shù)據(jù)，往eMMC中記錄數(shù)據(jù)的量級將會大幅增加，如果選用的eMMC容量太小，那么eMMC的使用壽命將無法與汽車的壽命相匹配。

目前市面上常用的存儲設(shè)備種類眾多，不管是eMMC、UFS或者SSD，其核心都是使用閃存作為存儲介質(zhì)，應(yīng)用在各種不同類型的終端設(shè)備中，所以UFS或者SSD也并非能夠作為eMMC的替代方案，來解決存儲設(shè)備壽命有限的問題。

隨著車內(nèi)交互功能越來越多，承載的功能越來越復(fù)雜，交互程度越來越高等因素，數(shù)據(jù)寫入量越來越大，選用大容量的車規(guī)級eMMC，來擴大存儲設(shè)備容量，延長使用壽命，可能是當前汽車廠商緩解問題的主要方法。

車規(guī)級eMMC存儲，如何為安全保駕護航

汽車電子不同于消費電子，要承受更為嚴酷的操作環(huán)境，例如極端的低溫和高溫，持續(xù)的振動，強烈的沖擊等更多其他因素。出于對汽車安全性的考慮，所有車載產(chǎn)品都需要獲得車規(guī)級認證。軟硬件設(shè)計也需充分考慮到汽車存儲的需求，適應(yīng)于未來汽車應(yīng)用的發(fā)展。

車規(guī)級的產(chǎn)品有著比傳統(tǒng)工業(yè)級產(chǎn)品更高的標準，對于NAND Flash閃存顆粒有著更為嚴格的挑選和測試標準，品質(zhì)要求更高。即使在極高和極低的溫度下，系統(tǒng)性能也很穩(wěn)定，確保汽車系統(tǒng)的可靠。

圖五：主控芯片關(guān)鍵功能模塊結(jié)構(gòu)圖

從存儲控制芯片的性能來看，車規(guī)級eMMC控制芯片需要提供低壓保護（Low Power Control），確保電壓波動不會對eMMC存儲數(shù)據(jù)穩(wěn)定性、一致性造成影響。強大的LDPC糾錯能力有助于eMMC在不同極端工作溫度環(huán)境下都能確保數(shù)據(jù)正確性，同時能有效的延長閃存的最大磨損壽命。

在車規(guī)級控制芯片的FW固件設(shè)計上，也需要從多個方面來確保eMMC數(shù)據(jù)穩(wěn)定性以及提升eMMC使用壽命。

圖六:算法固件示意圖

Read disturb處理，通過建立全盤Block讀監(jiān)控機制，及時對可能出現(xiàn)讀干擾的塊進行監(jiān)控，對已受干擾的塊進行數(shù)據(jù)重寫，在確保數(shù)據(jù)穩(wěn)定性的同時，減少內(nèi)部數(shù)據(jù)重寫頻度，減少WAF，最大限度的降低對eMMC使用壽命的影響。

圖七：閃存基本單元浮柵晶體管的截面圖

針對閃存中長時間沒有被訪問的有效靜態(tài)數(shù)據(jù)塊，通過定時監(jiān)控算法，一旦發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定性出現(xiàn)變化，及時對該數(shù)據(jù)塊的全部數(shù)據(jù)進行重寫，確保數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。

圖八：磨損差值與TBW的關(guān)系

在靜態(tài)磨損均衡處理算法設(shè)計上，重點考慮閃存模塊的磨損均衡與靜態(tài)磨損均衡處理所帶來的寫放大這兩者之間的平衡，即允許閃存數(shù)據(jù)塊之間存在一定的磨損差值，以求減少靜態(tài)磨損均衡處理的頻率，從而減少內(nèi)部數(shù)據(jù)搬移對寫放大的影響。

第三代LDPC糾錯算法，對比BCH 72Bit，糾錯能力有超過60%的提升，結(jié)合高速Read retry算法設(shè)計，在有效延長閃存磨損壽命的同時，也保證Read CMD的及時響應(yīng)，確保eMMC在極端溫工作環(huán)境下的數(shù)據(jù)正確性。

總之，通過對車規(guī)級eMMC存儲控制芯片的優(yōu)化，不斷提高車規(guī)級eMMC產(chǎn)品的性能和高可靠性，提升對數(shù)據(jù)收集、傳輸和處理的高效率能力，保障eMMC使用壽命最大化。

優(yōu)質(zhì)的NAND Flash閃存顆粒和存儲主控決定著eMMC的品質(zhì)，成熟嚴苛的生產(chǎn)驗證規(guī)范是eMMC質(zhì)量的保證。從車規(guī)級eMMC的生產(chǎn)和驗證要求來看，通過對產(chǎn)品高低溫測試和可靠性的驗證，模擬高振動沖擊、惡劣環(huán)境、長周期、連續(xù)工作等條件，確保產(chǎn)品的高可靠性和穩(wěn)定性；按照符合零失效（Zero Defect）的供應(yīng)鏈品質(zhì)管理標準 ISO/TS 16949 規(guī)范進行生產(chǎn)管理，減少在汽車零部件供應(yīng)鏈中容易產(chǎn)生的質(zhì)量波動；針對車規(guī)級eMMC的高可靠性要求，按照AEC-Q100的汽車認證標準，對每一款產(chǎn)品都進行嚴苛測試。

此外，從供應(yīng)鏈來看，車規(guī)級eMMC需要3至10年的長期穩(wěn)定供貨，質(zhì)保3年。當前汽車芯片缺貨在汽車行業(yè)愈演愈烈，危機讓汽車廠商更加重視汽車芯片的供應(yīng)鏈，也讓業(yè)界意識到擁有自主和可控的供應(yīng)鏈是非常有必要的。

結(jié)語

綜合來看，車規(guī)級eMMC供應(yīng)商的全棧式解決方案的能力將至關(guān)重要。芯片廠商不僅要和閃存原廠建立有穩(wěn)定且長期的合作，自主擁有eMMC存儲控制技術(shù)，還要獲得供應(yīng)鏈多項體系和規(guī)范標準認證。從存儲介質(zhì)顆粒篩選，到存儲控制器及固件的開發(fā)，模組設(shè)計、封裝、生產(chǎn)、測試和售后服務(wù)各個環(huán)節(jié)，都要嚴苛把關(guān)，滿足車規(guī)級eMMC領(lǐng)域的技術(shù)以及規(guī)范標準要求。

目前，國內(nèi)僅有少數(shù)廠商在該領(lǐng)域有多年的經(jīng)驗積累，擁有車規(guī)級eMMC In-house主控芯片的研發(fā)能力，可以提供車規(guī)級eMMC的一站式存儲解決方案及服務(wù)。

隨著我國新能源汽車快速發(fā)展，5G、車聯(lián)網(wǎng)、AI等新興技術(shù)加速與汽車產(chǎn)業(yè)融合，車聯(lián)網(wǎng)、智能駕駛、ADAS、邊緣計算等成為汽車電子重要的組成，由此也帶動汽車半導體用量的大幅上升?？梢哉f，巨大的汽車半導體市場機遇，國產(chǎn)汽車存儲芯片廠商不容錯過。

原文標題：15.8萬輛特斯拉待召回，如何解決汽車存儲痛點

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責任編輯：haq