随着新能源汽车产业和自动驾驶技术的推广,汽车半导体市场正迎来黄金发展时期。有资料显示,对于 L1 到 L5 等级的自动驾驶而言,在 L1 时自动驾驶的半导体成本只有约 150 美金,到 L3 等级提升至 600 美金,上升到 L4、L5 等级,整车的半导体成本将会达到 1200 美金。而这个快速增长的市场中,存储产品和技术并不为主流媒体关注。富士通电子元器件(上海)有限公司产品管理部总监冯逸新也在近日的一次活动中表示:“随着新基建的部署,充电桩的普及将快速促进新能源汽车的普及,无论是桩侧还是车侧,未来都将催生更多的高性能存储应用需求。”该公司作为非易失性内存 FRAM 的市场主力提供商,正以满足汽车市场需求最佳的性能迎来市场增长的甜蜜期。作为已经量产 FRAM 20 年之久,出货超过 41 亿颗的富士通,其自 2017 年开始先后推出多款可在高达 125℃高温环境下运作的车规级 FRAM 产品,经过仅仅两年时间的市场推广,目前已成功打入了东风、金龙、宇通、上汽通用五菱、华晨宝马、一汽、御捷、江淮、奇瑞等整车厂的诸多 Tier-1、Tier-2 供应链。

 

富士通 AEC-Q100 Grade 1 车规级 FRAM 产品线

 

极高耐久性、可靠性和极低迟延,特别的存储器给特别的汽车应用
随着 5G、车联网等概念的兴起,整车 ADAS、车载娱乐等功能正逐渐成为新一代智能汽车的标配,而多传感器融合以及大屏、多屏显示赋能下的车载软硬件系统无疑需要搭载更多的车载存储器。同时,这些存储器由于分布于各种不同类型的车载终端和硬件系统当中充当图像、视频甚至语音等数据内容的核心载体,其用量以及数据储存特性方面的需求往往大相径庭——或者经常进行数据擦写,或者需要更长的循环寿命,或者需要超高可靠性,等等。所以,要想成功打入车载存储市场,几乎没有一个完全的方案,独特性能满足特定应用场景存储需求的细分市场受到关注。

 

以新能源汽车中最核心技术之一 VCU(整车控制单元)为例,VCU 是整个控制系统的核心,通过采集电机及电池状态、加速踏板信号、制动踏板信号及其它执行器传感器控制器信号,可根据驾驶员的驾驶意图综合分析并做出相应判定后,监控下层的各部件控制器的动作。它负责汽车的正常行驶、制动能量回馈、整车发动机及动力电池的能量管理、网络管理、故障诊断及处理、车辆状态监控等,从而保证整车在较好的动力性、较高经济性及可靠性状态下正常稳定的工作,可谓是汽车的大脑。

 

FRAM 在整车控制单元 VCU 中的应用

 

“VCU 系统需要以每秒一次的速度去记录汽车行驶的当前状态以及发生故障时的变速器挡位、加速状况、刹车和输出扭矩等信息,而采用 FRAM 可以通过更简单的软件进行存储与读取,同时保证高速和高可靠性。”冯逸新介绍道。今年 5 月,富士通最新推出了车规级产品 MB85RS2MLY,可在 -40°C 至+125°C 温度范围内达到 10 兆次读 / 写次数,非常适合需要实时数据记录的应用(比如连续 10 年每天每 0.1 秒记录一次数据,则写入次数将超过 30 亿),可谓具有极高的数据写入耐久性和可靠性。

 

这些特性对于作为新能源汽车另一大核心技术的 BMS(电池管理系统)来说同样至关重要。BMS 需要实时记录数据和存储数据,其系统将以每秒或每 0.1 秒的频率实时和连续地记录电池单元的重要数据(故障信息,健康状况 SOH 和电量计量 SOC 等),同时监控电池的短期(最后几个充电周期 60 次 / 秒)和长期(整个电池寿命)电池性能。据冯逸新介绍:“举个简单的例子,电池单元电量一般维持在 30%~75%之间表示正常运作,如有不均衡的情况则需从别的单元补充过来,这时系统需要检测记录电池单元的电量、温度、电压、电流等等数据,而且单次监测记录的时间不能间隔太长。“

 

因此,通过采用 FRAM,汽车制造商能够大幅降低系统复杂度并提高数据完整性。事实上,FRAM 的身影目前已经遍布诸如安全气囊数据储存(Airbag)、事故数据记录器(EDR)、新能源车 CAN 盒子(CAN-BOX)、新能源车载终端(T-BOX)、胎压监测(TPMS)、汽车驾驶辅助系统(ADAS)及导航与信息娱乐系统(infotainment)等新能源汽车关键电子系统。

 

车规级 FRAM,是满足汽车电子可靠性和无迟延要求的最佳存储器选择

 

他山之石可以攻玉,FRAM 这样应对充电桩存储痛点
今年 3 月,中国提出要求加快 5G 网络、数据中心等新型基础设施建设进度,在随后披露的新型基础设施建设七大领域中,新能源充电桩名列其中。据《赛迪顾问》数据显示,截止 2019 年 12 月中国充电桩保有量达到 121.9 万台,车桩比约为 3.4:1,远低于《电动汽车充电基础设施发展指南(2015-2020)》规划的 1:1,保守估计未来 10 年,中国充电桩建设缺口将高达 6300 万。相比加油站,充电桩能够承载更多的信息,除电流外,还有信息流、资金流等等。作为车联网数据采集的重要端口,充电桩网络的大面积建成必将成为未来社会交通系统的重要信息平台。

 

因此,充电桩数据的记录和存储非常重要。作为给新能源汽车提供电能的配套产品,充电桩在运行过程中需要处理大量的参数,通过系统监测数据和事件信息,实现设备集中远程监控,为设备故障诊断提供必要的数据支持,也为电站综合管理提供全面的统计数据和各类统计报表。为此,所有数据必须进行统一的采集、查看和分析,并提供设备运行状态实时监测、危险警告与通知、数据查询分析、设备运行总额和管理等功能。

 

“充电桩生产商需要挑选合适的存储产品予以应对,其数据存储的应用需求与智能表计非常相似。”冯逸新指出,“目前,FRAM 存储器在智能电表行业已经作为标准存储器被广泛采用,其具备的三大优势是许多同类型存储器无法比拟的。”冯逸新所说的 FRAM 三大优势分别是高速写入、耐久性以及低功耗。与 EEPROM 对比,FRAM 写入次数寿命高达 10 万亿次,而 EEPROM 仅有百万次(10^6)。富士通 FRAM 写入数据可在 150ns 内完成,速度约为 EEPROM 的 30,000 倍。写入一个字节数据的功耗仅为 150nJ,约为 EEPROM 的 1/400,在电池供电应用中具有巨大的优势。

 

FRAM、EEPROM、FLASH 主要参数对比

 

FRAM 不仅能够进行高速写入,同样也能够实现高速擦除。以保障数据安全为例,若遇到黑客违法盗取及分析充电桩的机密数据,将导致大范围的信息泄露。对此,低功耗和高速的 FRAM 可以利用小型电池电源,瞬间消去重要数据,从而确保用户的信息安全。这时,FRAM 仅需 0.1mA 的工作电流,就能够在 0.3ms 的时间内擦除 256bit 的数据,相比 EEPROM 拥有显著的优势。

 

FRAM、EEPROM、FLASH 工作电流与消去时间对比

 

满足差异化市场需求,打造全覆盖存储产品阵列
尽管 FRAM 比传统的 Flash、EEPROM 在读写耐久性、写入的速度和功耗等方面都更具有优势,但其同样有着成本较高、容量不高的不足。为此,富士通重点推出了可与 FRAM 产品形成市场互补的另外两大存储产品——可变电阻式随机存取内存 ReRAM 和纳米随机存储器 NRAM,以满足更多差异化需求。

 

ReRAM 可以实现对大容量 EEPROM 的完全替代。2019 年 8 月富士通成功研发 MB85AS8MT——这是全球最高密度 8Mbit ReRAM 产品,其采用 SPI 介面并与 EEPROM 相容的非挥发性记忆体,能在 1.6 至 3.6 伏特之间的广泛电压范围运作,在 5MHz 工作频率下仅需 0.15mA 读取资料。“目前全球只有两家公司能够量产 ReRAM,富士通是其中之一。”冯逸新说到,“EEPROM 容量最大只有 2Mb,且在一些情况下功耗太高。我们量产的 4Mb、8Mb 产品可以满足有这些需求的 EEPROM 客户,同时能保证价格与 EEPROM 2Mb 接近。”

 

富士通 ReRAM 推出时间

 

按照规划,富士通预计会在 2021 年前后带来 16Mbit 甚至 32Mbit ReRAM 产品,届时将进一步满足企业和客户对各种特殊应用的需求。

 

NRAM 则兼具 FRAM 的高速写入、高读写耐久性(比 NOR Flash 高 1000 倍),又具备与 NOR Flash 相当的大容量与造价成本并实现很低的功耗(待机模式时功耗几乎为零),同时可靠性非常高,在 80 度时存储数据时限高达 1000 年,在 300 度时亦可达到 10 年。谈到 NRAM 在车载存储的应用时,冯逸新指出:“目前的基于 FRAM 的车规级 IC 高温承受范围在 125 度,而 NRAM 却可以达到 150 度,因此,未来基于 NRAM 的 IC 身影将有望出现在汽车发动机中。”作为 NRAM 的第一代产品,富士通 16Mbit 的 DDR3 SPI 接口产品最快将于 2020 年底上市。

 

可以看到,通过打造完善的 FRAM、ReRAM、NRAM 三线产品阵列,富士通能够实现对于传统存储产品 EEPROM 和 NOR FLASH 的完全替代,届时势必引发存储行业的新一轮洗牌。

 

总结
可以预见,未来汽车半导体市场需求将产生极大增量,特别是 2020 年注定将是国内新能源汽车相关电子产品市场与技术变革的关键一年。据冯逸新介绍,未来汽车自动驾驶的发展注定越来越广,对数据处理和存储的要求将会达到非常高的程度。在车联网存储领域,富士通会推出更多产品线,使三大技术加持的相关产品能够应对日渐丰富的汽车等级和应用场景,为客户提供更多选择。