串行NAND在汽車(chē)電子領(lǐng)域的應(yīng)用

NORFlash多年來(lái)一直作為汽車(chē)的一種可靠技術(shù)，如今已應(yīng)用于各種汽車(chē)系統(tǒng)，包括儀表集群、信息娛樂(lè)和遠(yuǎn)程信息系統(tǒng)。在這些應(yīng)用程序中，這種非易失性?xún)?nèi)存為應(yīng)用程序代碼提供了存儲(chǔ)容量，提供了可靠的操作和足夠快的讀取速度來(lái)支持實(shí)時(shí)執(zhí)行（Execute－in－Place，XiP），即主機(jī)處理器直接從Flash運(yùn)行代碼，繞過(guò)外部DRAM。NORFlash在ADAS概念的新興實(shí)現(xiàn)中也扮演著重要角色，ADAS概念在現(xiàn)有的汽車(chē)中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了半自治的高速公路駕駛功能，如自適應(yīng)巡航控制和車(chē)道保持。自動(dòng)駕駛技術(shù)的發(fā)展速度非常快，因此在未來(lái)幾年里，越來(lái)越多的汽車(chē)程序?qū)⒂砂現(xiàn)lash的電子系統(tǒng)控制。在ADAS，以及儀表集群和其他地方，F(xiàn)lash是安全關(guān)鍵系統(tǒng)中的一個(gè)組件：這樣一個(gè)系統(tǒng)的任何不受控制的故障都有可能使車(chē)輛變得不安全或無(wú)法控制。為管理及減低系統(tǒng)未能按指定操作的風(fēng)險(xiǎn)，汽車(chē)業(yè)界已實(shí)施ISO26262功能安全標(biāo)準(zhǔn)，其中包括：1、在設(shè)計(jì)階段強(qiáng)制要求對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能失效的方式進(jìn)行嚴(yán)格分析2、為整個(gè)系統(tǒng)指定非常低的最大故障率3、要求系統(tǒng)可靠、快速地檢測(cè)功能故障4、要求系統(tǒng)采用可靠的方法安全生存，并從任何可預(yù)見(jiàn)的功能故障中恢復(fù)因此，汽車(chē)系統(tǒng)原始設(shè)備制造商開(kāi)始要求開(kāi)發(fā)一種新的Flash集成電路，這種電路能夠比前幾代設(shè)備更好地支持系統(tǒng)級(jí)的功能安全設(shè)計(jì)要求。本文研究了傳統(tǒng)的Flash集成電路的工作模式，并說(shuō)明了新汽車(chē)串行Flash產(chǎn)品如果要完全支持系統(tǒng)設(shè)計(jì)者遵守ISO26262標(biāo)準(zhǔn)的努力，將需要提供的特征。這些功能性的安全特性很可能在串行或閃存（目前在嵌入式系統(tǒng)中用于引導(dǎo)代碼存儲(chǔ)的閃存類(lèi)型）和單級(jí)Cell（SLC）NAND閃存中都可以看到。實(shí)際上，對(duì)于不需要很高的程序／擦除周期，也不需要實(shí)現(xiàn)XiP的應(yīng)用程序中的代碼存儲(chǔ)，串行NAND是NORFlash的有效替代方案。華邦電子（華邦電子）的SLCNAND技術(shù)采用46nm工藝制造，該工藝已被證明是高質(zhì)量，在功能性安全應(yīng)用方面優(yōu)于采用新的、更小的幾何形狀制造的系列NAND產(chǎn)品。它還提供的數(shù)據(jù)保留期可與55－65nm或閃存相媲美。串行NAND的優(yōu)勢(shì)在于其固有的低成本——一個(gè)NAND閃存單元比NOR閃存單元小四倍。與NORFlash相比，NANDFlash的寫(xiě)入時(shí)間要短得多，因此在執(zhí)行無(wú)線（OTA）軟件更新的系統(tǒng)中，它是一項(xiàng)有價(jià)值的技術(shù)。由華邦電子提供的車(chē)載糾錯(cuò)碼（ECC）引擎和支持跨頁(yè)面和塊邊界的高速連續(xù)／順序讀取能力，串行NAND現(xiàn)在正被汽車(chē)功能安全應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)者納入考慮范圍。診斷數(shù)據(jù)的重要性需要說(shuō)明的是，NOR閃存技術(shù)非?？煽?，而且設(shè)備的運(yùn)行壽命是可預(yù)測(cè)的。而Flash集成電路沒(méi)有在該領(lǐng)域證明自己的品質(zhì)，汽車(chē)原始設(shè)備制造商對(duì)這項(xiàng)技術(shù)的偏愛(ài)是基于其在當(dāng)今道路上數(shù)百萬(wàn)輛汽車(chē)上的使用經(jīng)驗(yàn)。ISO26262標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了四個(gè)“ASIL”等級(jí)（汽車(chē)安全完整性等級(jí)）的可靠性和其他參數(shù)。最嚴(yán)格的等級(jí)ASIL－D適用于最安全關(guān)鍵的系統(tǒng)，如轉(zhuǎn)向系統(tǒng)或剎車(chē)系統(tǒng)，它將系統(tǒng)級(jí)的最大故障率設(shè)置為＜10FIT（在時(shí)間上的故障），即每十億個(gè)設(shè)備小時(shí)的故障率。單點(diǎn)和潛在故障的最低檢出率，以及ISO26262標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最大故障率盡管如此，汽車(chē)制造商為遵循ISO26262的合規(guī)性，要求找到一種方法來(lái)識(shí)別NOR閃存IC理論上仍然可能發(fā)生的任何故障。在傳統(tǒng)設(shè)備中，用戶(hù)無(wú)法獲得維持?jǐn)?shù)據(jù)完整性和數(shù)據(jù)保留的功能。這種封閉操作與功能安全原則相沖突，功能安全原則要求主機(jī)系統(tǒng)監(jiān)視部件的故障，或監(jiān)視表明可能發(fā)生故障的不正常行為，并執(zhí)行旨在保持正常功能的應(yīng)對(duì)措施。這意味著NORFlashIC在ISO26262兼容系統(tǒng)中使用時(shí)，必須向主機(jī)控制器提供診斷數(shù)據(jù)，并提供主機(jī)修改IC操作的方法，以應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)顯示的更高的故障風(fēng)險(xiǎn)。NORFlashIC的兩個(gè)主要特性提供了這些數(shù)據(jù)：ECC引擎，它通過(guò)檢測(cè)和糾正讀操作中的位錯(cuò)誤來(lái)維護(hù)數(shù)據(jù)的完整性允許對(duì)ECC引擎的運(yùn)行進(jìn)行定期測(cè)試的用戶(hù)模式ECC數(shù)據(jù)如何支持功能性安全操作在傳統(tǒng)的NORFlashIC中，ECC引擎在后臺(tái)運(yùn)行，以多字節(jié)粒度檢測(cè)和糾正位錯(cuò)誤，不通知主機(jī)控制器。然而，事實(shí)上，這些ECC［1］數(shù)據(jù)可以以各種方式促進(jìn)功能性安全合規(guī)。ECC引擎能夠糾正單位錯(cuò)誤（當(dāng)主數(shù)據(jù)位和奇偶校驗(yàn)位之間只有單位差異時(shí)）；檢測(cè)（但不糾正）雙位錯(cuò)誤。通過(guò)向主機(jī)控制器提供狀態(tài)寄存器，NOR閃存設(shè)備可以指示最近的讀操作是否有三種可能的結(jié)果之一：1．良好的數(shù)據(jù)，不需要糾錯(cuò)2．修正錯(cuò)誤后的良好數(shù)據(jù)3．無(wú)法糾正的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)這些“事后”信息可用于幫助維護(hù)長(zhǎng)期的數(shù)據(jù)完整性。但I(xiàn)SO26262要求汽車(chē)系統(tǒng)在出現(xiàn)故障時(shí)進(jìn)行檢測(cè)，并立即采取相應(yīng)措施。來(lái)自華邦電子的新型自動(dòng)NORFlashIC，可通過(guò)專(zhuān)用錯(cuò)誤引腳提供實(shí)時(shí)錯(cuò)誤信息。此引腳可以被斷言，以指示無(wú)法糾正的數(shù)據(jù)的確切位置。用戶(hù)還可以選擇錯(cuò)誤pin是表示糾正的單比特錯(cuò)誤，還是表示檢測(cè)到的不可糾正的雙比特錯(cuò)誤。然后，主機(jī)可以使用來(lái)自狀態(tài)寄存器、錯(cuò)誤pin或兩者的信息來(lái)構(gòu)建錯(cuò)誤寄存器——實(shí)際上是NORFlash陣列的“映射”，記錄位錯(cuò)誤的位置。然后，主機(jī)可以設(shè)置一個(gè)閾值，以便當(dāng)某個(gè)位置（例如某個(gè)特定塊）發(fā)生的錯(cuò)誤數(shù)量超過(guò)這個(gè)閾值時(shí)，該位置就從內(nèi)存中“退休”了。識(shí)別潛在故障的方法到目前為止，上述所描述的措施是關(guān)于單點(diǎn)故障處理，ISO26262標(biāo)準(zhǔn)為每個(gè)ASIL等級(jí)指定了最低檢出率。但該標(biāo)準(zhǔn)還要求汽車(chē)系統(tǒng)檢測(cè)“潛在故障”。潛在故障本身并沒(méi)有違反功能安全要求，但是它可以與第二個(gè)故障一起違反這些要求。在NORFlashIC中，存在潛在的潛在故障－ECC引擎故障就是一個(gè)例子。正常運(yùn)行時(shí)，NORFlash技術(shù)可靠性高，很少需要糾錯(cuò)。因此，只要ECC引擎故障不會(huì)導(dǎo)致它錯(cuò)誤地糾正好位，故障通常不會(huì)引起注意。但是，當(dāng)由于ECC引擎故障（一個(gè)潛在的故障）導(dǎo)致單個(gè)壞位未得到糾正時(shí)，這兩個(gè)故障的組合將對(duì)功能安全構(gòu)成風(fēng)險(xiǎn)。為了檢測(cè)潛在的ECC引擎故障，華邦電子的automotiveNORFlashIC提供了特殊用戶(hù)模式和ECC編碼器讀取命令：這使用戶(hù)能夠?qū)⒅鲾?shù)據(jù)模式注入到內(nèi)存中，并從ECC引擎中讀取主數(shù)據(jù)和它生成的奇偶校驗(yàn)數(shù)據(jù)。如果奇偶校驗(yàn)數(shù)據(jù)不正確，可以將ECC引擎標(biāo)記為錯(cuò)誤。同樣，用戶(hù)模式可用于檢查ECC解碼操作：在用戶(hù)模式下，用戶(hù)將主數(shù)據(jù)和奇偶校驗(yàn)數(shù)據(jù)加載到ECC引擎中，并使用特殊的ECC解碼器Read命令將主數(shù)據(jù)讀回。在主數(shù)據(jù)和奇偶校驗(yàn)數(shù)據(jù)中可能會(huì)引入單位和雙位錯(cuò)誤，檢查ECC引擎是否正確執(zhí)行單位錯(cuò)誤校正和雙位錯(cuò)誤檢測(cè)。華邦電子的建議是，每次系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)都應(yīng)該執(zhí)行ECC引擎檢查。新的安全功能可用于生產(chǎn)部件為了滿(mǎn)足ADAS產(chǎn)品和其他汽車(chē)系統(tǒng)制造商的需求，華邦電子現(xiàn)在正在將上述功能安全特性集成到一個(gè)新汽車(chē)NORFlash系列產(chǎn)品中。Quad3V系列具有最大80MB／s的數(shù)據(jù)傳輸速率，可用于256mbit和512mbit密度的采樣。1Gbit3V部件（兩個(gè)堆疊的512Mbit模具）將在2020年下半年面世。將在2020年提供高密度（512Mbit和1Gbit）1．8V的NOR閃存設(shè)備，部分設(shè)備將有四進(jìn)制或八進(jìn)制接口。串行NAND具有快速的OTA更新寫(xiě)入時(shí)間提供了一系列具有功能性安全特性的NAND產(chǎn)品：3V和1．8V產(chǎn)品均可用于512Mbits和1Gbit采樣密度，以及由兩個(gè)堆疊的1Gbit模具組成的2Gbit部件。華邦電子的第一代串行NAND系列提供的最大吞吐率為40MB／s（在1．8V部件中），在3V部件中為52MB／s。第二代NAND系列產(chǎn)品W25N01JW／W25N02JW產(chǎn)品在1．8V部分提供了更高的80MB／s吞吐量。這是在QuadDTR（數(shù)據(jù)傳輸速率）模式下實(shí)現(xiàn)的，并且是連續(xù)的數(shù)據(jù)輸出，在頁(yè)面和塊邊界上沒(méi)有間隙。華邦電子最近還推出了W35N01JW，這是一款1Gbit的1．8V八進(jìn)制NAND閃存設(shè)備，讀取速度為240MB／s，比W25N01JW快三倍。1Gbit3VW25N01GV，通過(guò)向狀態(tài)寄存器提供信息來(lái)支持功能性安全合規(guī)性，該狀態(tài)寄存器顯示在有無(wú)ECC的情況下讀出的數(shù)據(jù)是否正