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)擴展給汽車制造商帶來了更多挑戰(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)旨在為一個完整的域集成高級控制。特別是在混合動力和電動汽車（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)的復雜性和實時性。例如，電動汽車的制動是關于停止車輛并捕獲反電動勢 (EMF) 為電池充電。

基于區(qū)域的架構(gòu)將來自多個域的多個 ECU 整合到單個 MCU 上，并減少了整個車輛的線束數(shù)量。有兩個主要因素促使 OEM 減少其車輛中的線束數(shù)量：每增加一個線束都會增加車輛的重量和復雜性。重量是關鍵，因為它減少了車輛一次充電可以行駛的英里數(shù)。基于區(qū)域的架構(gòu)在消除一些線束方面具有主要優(yōu)勢，尤其是在車身領域。但這不是全有或全無：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)需要提供更高計算能力的 MCU。當今的域架構(gòu)需要以高達 400 MHz 的時鐘速度運行的多核實時 MCU。事實上，這些架構(gòu)的一些 MCU 具有多達 6 個 Arm Cortex-R52 內(nèi)核，其中多達 4 個內(nèi)核以鎖步配置運行，以執(zhí)行實時錯誤檢查。這些龐然大物總共可以擁有 10 個 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/板載非易失性存儲器 (NVM) 功能也對整體系統(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 MCU 在計算和功率性能以及可靠性方面可能會因其使用的內(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)場固件升級能力和實現(xiàn)成本。

新架構(gòu)的嵌入式非易失性存儲器限制

通常，在計算系統(tǒng)中，非易失性存儲器用于存儲代碼和數(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。

對于 400-MHz 系統(tǒng)中的 25-MHz NVM，內(nèi)存需要大約 15 個等待狀態(tài)。因此，即使 CPU 以 400 MHz 運行，在 CPU 執(zhí)行指令之前，需要 15 個周期才能從內(nèi)存中獲取指令。MCU 使用緩存來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對整體計算性能產(chǎn)生重大影響。

隨著時間的推移，創(chuàng)新提高了嵌入式 NOR 閃存速度。不幸的是，閃存技術(shù)難以擴展到更小的技術(shù)節(jié)點。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單元集成到非常復雜的高 k 金屬柵極前端技術(shù)中的困難，成本顯著增加。

由于它們是最近設計的控制器之一，大多數(shù)基于區(qū)域的 MCU 都可在 28 納米節(jié)點上使用，以最大限度地提高集成度并允許支持超大型應用程序所需的更大容量存儲器。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，無線 (OTA) 固件升級（更多關于本系列文章第二部分中的 OTA 固件升級）需要這些 MCU 提供至少 40 MB 的嵌入式 NVM 才能支持此功能。

這就是為什么對于當今可用的大多數(shù)嵌入式閃存技術(shù)而言，這種內(nèi)存容量在 28 nm 時可能并不實用。此外，其他一些可擴展的嵌入式 NVM 技術(shù)無法滿足汽車應用所需的高溫條件。因此，一些區(qū)域 MCU 要么沒有嵌入式 NVM，要么作為雙芯片系統(tǒng)級封裝 (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算性能比嵌入式閃存稍好，但基于區(qū)域和域的應用程序存在一些缺點。

第一個缺點是 MCU 在啟動時加載 RAM 內(nèi)容所需的啟動時間較長。雖然信息娛樂系統(tǒng)在車輛啟動時需要一點時間來啟動是可以的，但延長啟動時間對于管理車門控制、轉(zhuǎn)向控制、照明和其他關鍵功能的域和區(qū)域架構(gòu)來說是一個主要問題。用戶希望這些立即可用。RAM 的另一個缺點是它比 NVM 消耗更多的功率。

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

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

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，通常稱為軟錯誤率 (SER)。這會影響系統(tǒng)的可靠性。為了支持最高級別的可靠性，用于汽車應用的最新 MCU 支持端到端糾錯碼 (ECC)。外部 NVM 不支持端到端 ECC，這會導致可靠性降低，并且需要針對安全關鍵型 ECU 使用額外的緩解技術(shù)。

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

隨著每個寫入和擦除周期，這種氧化物會退化并且泄漏會增加，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)存儲器。將該技術(shù)擴展到更小的節(jié)點會加劇這個問題。不縮放隧道厚度有其自身的副作用，因為嵌入在較小技術(shù)節(jié)點中的大內(nèi)存塊仍然需要更長的時間來讀取、寫入和擦除。

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

PCM 在區(qū)域和域架構(gòu)中的優(yōu)點

正如過去發(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器 (ePCM) 可滿足區(qū)域和域 MCU 的性能要求。

影響當前一代區(qū)域 MCU 以及整個技術(shù)和成本路線圖的一個關鍵點是，ePCM 存儲元件的集成比汽車應用中使用的快速 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 的集成完全不會干擾復雜的高 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 可以與標準晶體管一起工作，而閃存需要專用的高壓晶體管來管理可能為 10 V 或更高的寫入電壓。所有這些因素都會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和顯著減少的寫入時間。寫入時間的顯著減少是因為 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區(qū)和域 MCU 的工廠編程時間，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。同時，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)寫入時間。此外，由于它只對目標位進行操作，因此單位寫入不會影響相鄰存儲單元的壽命。因此，即使具有與嵌入式閃存相當?shù)哪途眯运剑琍CM 也有效地允許對數(shù)據(jù) NVM 中的模擬 EEPROM 進行更多的寫入。

本系列關于汽車設計的第二篇文章概述了 NVM 在無線 (OTA) 固件升級中的作用、舊的技術(shù)限制以及 ePCM 如何解決這些問題。

審核編輯：湯梓紅