向高級(jí)ECU架構(gòu)過(guò)渡的挑戰(zhàn)

用戶舒適度、安全性和駕駛員輔助功能不斷增加車輛中電子控制單元 (ECU) 的數(shù)量。然而，ECU 的持續(xù)擴(kuò)展給汽車制造商帶來(lái)了更多挑戰(zhàn)。因此，全球大多數(shù)汽車制造商正在從傳統(tǒng)的分布式 ECU 架構(gòu)過(guò)渡到基于域或區(qū)域的 ECU 架構(gòu)。

基于域的架構(gòu)旨在為一個(gè)完整的域集成高級(jí)控制。特別是在混合動(dòng)力和電動(dòng)汽車（HEV 和 EV）中，所有功能都緊密交互，分布式架構(gòu)難以管理系統(tǒng)的復(fù)雜性和實(shí)時(shí)性。例如，電動(dòng)汽車的制動(dòng)是關(guān)于停止車輛并捕獲反電動(dòng)勢(shì) (EMF) 為電池充電。

基于區(qū)域的架構(gòu)將來(lái)自多個(gè)域的多個(gè) ECU 整合到單個(gè) MCU 上，并減少了整個(gè)車輛的線束數(shù)量。有兩個(gè)主要因素促使 OEM 減少其車輛中的線束數(shù)量：每增加一個(gè)線束都會(huì)增加車輛的重量和復(fù)雜性。重量是關(guān)鍵，因?yàn)樗鼫p少了車輛一次充電可以行駛的英里數(shù)?；趨^(qū)域的架構(gòu)在消除一些線束方面具有主要優(yōu)勢(shì)，尤其是在車身領(lǐng)域。但這不是全有或全無(wú)：車輛可以為不同的域使用不同的架構(gòu)，以充分利用域架構(gòu)和區(qū)域架構(gòu)。

基于區(qū)域和基于域的體系結(jié)構(gòu)都支持硬件和軟件生命周期的分離。兩者都允許制造商在不更改組件的情況下更新和升級(jí)車輛軟件。這些新架構(gòu)還提供軟件定義的車輛，可以在最短的時(shí)間內(nèi)推出新的功能和車輛。

轉(zhuǎn)換的內(nèi)存需求變化

首先，與傳統(tǒng)分布式架構(gòu)中使用的 MCU 相比，域和區(qū)域架構(gòu)需要提供更高計(jì)算能力的 MCU。當(dāng)今的域架構(gòu)需要以高達(dá) 400 MHz 的時(shí)鐘速度運(yùn)行的多核實(shí)時(shí) MCU。事實(shí)上，這些架構(gòu)的一些 MCU 具有多達(dá) 6 個(gè) Arm Cortex-R52 內(nèi)核，其中多達(dá) 4 個(gè)內(nèi)核以鎖步配置運(yùn)行，以執(zhí)行實(shí)時(shí)錯(cuò)誤檢查。這些龐然大物總共可以擁有 10 個(gè) Arm 核心。

盡管 MCU 內(nèi)核和工作頻率是系統(tǒng)架構(gòu)師常用的參考規(guī)格，但嵌入式/板載非易失性存儲(chǔ)器 (NVM) 功能也對(duì)整體系統(tǒng)性能和成本產(chǎn)生重大影響。盡管如此，內(nèi)存規(guī)格是最容易被忽視的。例如，具有相同內(nèi)核和工作頻率的兩個(gè) MCU 在計(jì)算和功率性能以及可靠性方面可能會(huì)因其使用的內(nèi)存類型及其速度而存在顯著差異。內(nèi)存類型和內(nèi)存速度也有助于 MCU 的現(xiàn)場(chǎng)固件升級(jí)能力和實(shí)現(xiàn)成本。

新架構(gòu)的嵌入式非易失性存儲(chǔ)器限制

通常，在計(jì)算系統(tǒng)中，非易失性存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)代碼和數(shù)據(jù)。大多數(shù)通用 MCU 為此使用嵌入式閃存。而這種嵌入式閃存通常是浮柵或某種類型的電荷陷阱 NOR 閃存。這些嵌入式 NVM 中的大多數(shù)都非常慢，并且支持的最大頻率甚至低于 20 MHz。

對(duì)于 400-MHz 系統(tǒng)中的 25-MHz NVM，內(nèi)存需要大約 15 個(gè)等待狀態(tài)。因此，即使 CPU 以 400 MHz 運(yùn)行，在 CPU 執(zhí)行指令之前，需要 15 個(gè)周期才能從內(nèi)存中獲取指令。MCU 使用緩存來(lái)最小化這些等待狀態(tài)，盡管緩存僅與程序的命中率一樣好。因此，由于這些閃存等待狀態(tài)，頻繁的緩存未命中會(huì)對(duì)整體計(jì)算性能產(chǎn)生重大影響。

隨著時(shí)間的推移，創(chuàng)新提高了嵌入式 NOR 閃存速度。不幸的是，閃存技術(shù)難以擴(kuò)展到更小的技術(shù)節(jié)點(diǎn)。雖然大多數(shù)都符合 40 nm，但也有少數(shù)符合 28 nm，盡管由于將這些存儲(chǔ)單元集成到非常復(fù)雜的高 k 金屬柵極前端技術(shù)中的困難，成本顯著增加。

由于它們是最近設(shè)計(jì)的控制器之一，大多數(shù)基于區(qū)域的 MCU 都可在 28 納米節(jié)點(diǎn)上使用，以最大限度地提高集成度并允許支持超大型應(yīng)用程序所需的更大容量存儲(chǔ)器。這些在區(qū)域和域架構(gòu)中可以是 20 MB 或更大。更糟糕的是，無(wú)線 (OTA) 固件升級(jí)（更多關(guān)于本系列文章第二部分中的 OTA 固件升級(jí)）需要這些 MCU 提供至少 40 MB 的嵌入式 NVM 才能支持此功能。

這就是為什么對(duì)于當(dāng)今可用的大多數(shù)嵌入式閃存技術(shù)而言，這種內(nèi)存容量在 28 nm 時(shí)可能并不實(shí)用。此外，其他一些可擴(kuò)展的嵌入式 NVM 技術(shù)無(wú)法滿足汽車應(yīng)用所需的高溫條件。因此，一些區(qū)域 MCU 要么沒(méi)有嵌入式 NVM，要么作為雙芯片系統(tǒng)級(jí)封裝 (SIP) 出售。這些 MCU 通常具有較大的 RAM 并從 RAM 執(zhí)行代碼。盡管此解決方案提供的計(jì)算性能比嵌入式閃存稍好，但基于區(qū)域和域的應(yīng)用程序存在一些缺點(diǎn)。

第一個(gè)缺點(diǎn)是 MCU 在啟動(dòng)時(shí)加載 RAM 內(nèi)容所需的啟動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)。雖然信息娛樂(lè)系統(tǒng)在車輛啟動(dòng)時(shí)需要一點(diǎn)時(shí)間來(lái)啟動(dòng)是可以的，但延長(zhǎng)啟動(dòng)時(shí)間對(duì)于管理車門控制、轉(zhuǎn)向控制、照明和其他關(guān)鍵功能的域和區(qū)域架構(gòu)來(lái)說(shuō)是一個(gè)主要問(wèn)題。用戶希望這些立即可用。RAM 的另一個(gè)缺點(diǎn)是它比 NVM 消耗更多的功率。

此外，在低功耗模式下，保留整個(gè) RAM 需要不斷為這種耗電的內(nèi)存供電。當(dāng) RAM 中的數(shù)據(jù)不需要并且可以斷電時(shí)，在從低功耗模式轉(zhuǎn)換到活動(dòng)模式時(shí)重新加載數(shù)據(jù)會(huì)以較長(zhǎng)的轉(zhuǎn)換時(shí)間為代價(jià)，這在某些應(yīng)用中可能無(wú)法接受。如果應(yīng)用程序頻繁轉(zhuǎn)換到活動(dòng)模式，則重新加載 RAM 的功耗預(yù)算非常重要，并且可能會(huì)破壞低功耗模式的目的。

另一個(gè)考慮因素是系統(tǒng)成本。RAM 是相對(duì)需要房地產(chǎn)的 IP。因此，將大 RAM 放入 MCU 以運(yùn)行應(yīng)用程序代碼將比嵌入式 NVM 更昂貴。然后，無(wú)論外部 NVM 是作為 SIP 集成在封裝本身中還是安裝在板上，都會(huì)增加成本，使系統(tǒng)成本更高。其他缺點(diǎn)包括系統(tǒng)和供應(yīng)鏈的可靠性。

在系統(tǒng)中，與 NVM 相比，RAM 具有更高的位翻轉(zhuǎn)率——通常是由于輻射，通常稱為軟錯(cuò)誤率 (SER)。這會(huì)影響系統(tǒng)的可靠性。為了支持最高級(jí)別的可靠性，用于汽車應(yīng)用的最新 MCU 支持端到端糾錯(cuò)碼 (ECC)。外部 NVM 不支持端到端 ECC，這會(huì)導(dǎo)致可靠性降低，并且需要針對(duì)安全關(guān)鍵型 ECU 使用額外的緩解技術(shù)。

除了一個(gè)例外，所有這些都與程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器有關(guān)。然而，與程序存儲(chǔ)器相比，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器需要更高的耐用性。這種更高的耐力要求也帶來(lái)了挑戰(zhàn)。例如，在浮柵 NOR 單元中，隧道氧化物將浮柵與溝道隔開。

隨著每個(gè)寫入和擦除周期，這種氧化物會(huì)退化并且泄漏會(huì)增加，從而限制了閃存變得不可用之前的寫入周期數(shù)并使其不適合數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。將該技術(shù)擴(kuò)展到更小的節(jié)點(diǎn)會(huì)加劇這個(gè)問(wèn)題。不縮放隧道厚度有其自身的副作用，因?yàn)榍度朐谳^小技術(shù)節(jié)點(diǎn)中的大內(nèi)存塊仍然需要更長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)讀取、寫入和擦除。

嵌入式閃存也需要時(shí)間來(lái)寫入，部分原因是需要在寫入操作之前進(jìn)行擦除操作。所有這些因素都會(huì)對(duì)系統(tǒng)性能產(chǎn)生不利影響，并且當(dāng) CPU 可以以高頻率運(yùn)行并且必須等待內(nèi)存時(shí)尤其痛苦。

PCM 在區(qū)域和域架構(gòu)中的優(yōu)點(diǎn)

正如過(guò)去發(fā)生的那樣，創(chuàng)新和新技術(shù)跳入了缺口。Stellar SR6器件中提供的嵌入式相變存儲(chǔ)器 (ePCM) 可滿足區(qū)域和域 MCU 的性能要求。

影響當(dāng)前一代區(qū)域 MCU 以及整個(gè)技術(shù)和成本路線圖的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)是，ePCM 存儲(chǔ)元件的集成比汽車應(yīng)用中使用的快速 28 nm 嵌入式閃存技術(shù)的雙多晶硅閃存單元便宜得多。此外，ePCM 的集成完全不會(huì)干擾復(fù)雜的高 k 金屬柵晶體管結(jié)構(gòu)。

最后但同樣重要的是，與嵌入式閃存不同，ePCM 中的寫入操作不需要高電壓。因此，ePCM 可以與標(biāo)準(zhǔn)晶體管一起工作，而閃存需要專用的高壓晶體管來(lái)管理可能為 10 V 或更高的寫入電壓。所有這些因素都會(huì)影響可制造性和成本。

與 NOR 或 NAND 閃存不同，PCM 的工作原理是基于鍺銻碲 (GST) 合金的電阻率變化。這種合金根據(jù)快速的溫度變化改變電阻率，而電阻率決定了鉆頭的狀態(tài)。

因此，與嵌入式 NOR 閃存相比，ePCM 提供了快速讀取訪問(wèn)和顯著減少的寫入時(shí)間。寫入時(shí)間的顯著減少是因?yàn)?ePCM 在寫入之前不需要擦除操作。此功能還大大縮短了大型存儲(chǔ)區(qū)和域 MCU 的工廠編程時(shí)間，從而降低了制造成本。

此外，ePCM 還提供與嵌入式閃存相媲美的可靠性和耐用性優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，ePCM 允許模擬真正的 EEPROM 的單比特可更改性。這顯著減少了系統(tǒng)寫入時(shí)間。此外，由于它只對(duì)目標(biāo)位進(jìn)行操作，因此單位寫入不會(huì)影響相鄰存儲(chǔ)單元的壽命。因此，即使具有與嵌入式閃存相當(dāng)?shù)哪途眯运?，PCM 也有效地允許對(duì)數(shù)據(jù) NVM 中的模擬 EEPROM 進(jìn)行更多的寫入。

本系列關(guān)于汽車設(shè)計(jì)的第二篇文章概述了 NVM 在無(wú)線 (OTA) 固件升級(jí)中的作用、舊的技術(shù)限制以及 ePCM 如何解決這些問(wèn)題。

審核編輯：湯梓紅