串行NAND在汽車電子領域的應用

NORFlash多年來一直作為汽車的一種可靠技術，如今已應用于各種汽車系統(tǒng)，包括儀表集群、信息娛樂和遠程信息系統(tǒng)。在這些應用程序中，這種非易失性內(nèi)存為應用程序代碼提供了存儲容量，提供了可靠的操作和足夠快的讀取速度來支持實時執(zhí)行（Execute－in－Place，XiP），即主機處理器直接從Flash運行代碼，繞過外部DRAM。NORFlash在ADAS概念的新興實現(xiàn)中也扮演著重要角色，ADAS概念在現(xiàn)有的汽車中已經(jīng)實現(xiàn)了半自治的高速公路駕駛功能，如自適應巡航控制和車道保持。自動駕駛技術的發(fā)展速度非?？欤虼嗽谖磥韼啄昀?，越來越多的汽車程序?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是安全關鍵系統(tǒng)中的一個組件：這樣一個系統(tǒng)的任何不受控制的故障都有可能使車輛變得不安全或無法控制。為管理及減低系統(tǒng)未能按指定操作的風險，汽車業(yè)界已實施ISO26262功能安全標準，其中包括：1、在設計階段強制要求對系統(tǒng)設計功能失效的方式進行嚴格分析2、為整個系統(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，并從任何可預見的功能故障中恢復因此，汽車系統(tǒng)原始設備制造商開始要求開發(fā)一種新的Flash集成電路，這種電路能夠比前幾代設備更好地支持系統(tǒng)級的功能安全設計要求。本文研究了傳統(tǒng)的Flash集成電路的工作模式，并說明了新汽車串行Flash產(chǎn)品如果要完全支持系統(tǒng)設計者遵守ISO26262標準的努力，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)中用于引導代碼存儲的閃存類型）和單級Cell（SLC）NAND閃存中都可以看到。實際上，對于不需要很高的程序／擦除周期，也不需要實現(xiàn)XiP的應用程序中的代碼存儲，串行NAND是NORFlash的有效替代方案。華邦電子（華邦電子）的SLCNAND技術采用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)勢在于其固有的低成本——一個NAND閃存單元比NOR閃存單元小四倍。與NORFlash相比，NANDFlash的寫入時間要短得多，因此在執(zhí)行無線（OTA）軟件更新的系統(tǒng)中，它是一項有價值的技術。由華邦電子提供的車載糾錯碼（ECC）引擎和支持跨頁面和塊邊界的高速連續(xù)／順序讀取能力，串行NAND現(xiàn)在正被汽車功能安全應用程序的設計者納入考慮范圍。診斷數(shù)據(jù)的重要性需要說明的是，NOR閃存技術非?？煽?，而且設備的運行壽命是可預測的。而Flash集成電路沒有在該領域證明自己的品質(zhì)，汽車原始設備制造商對這項技術的偏愛是基于其在當今道路上數(shù)百萬輛汽車上的使用經(jīng)驗。ISO26262標準規(guī)定了四個“ASIL”等級（汽車安全完整性等級）的可靠性和其他參數(shù)。最嚴格的等級ASIL－D適用于最安全關鍵的系統(tǒng)，如轉(zhuǎn)向系統(tǒng)或剎車系統(tǒng)，它將系統(tǒng)級的最大故障率設置為＜10FIT（在時間上的故障），即每十億個設備小時的故障率。單點和潛在故障的最低檢出率，以及ISO26262標準規(guī)定的最大故障率盡管如此，汽車制造商為遵循ISO26262的合規(guī)性，要求找到一種方法來識別NOR閃存IC理論上仍然可能發(fā)生的任何故障。在傳統(tǒng)設備中，用戶無法獲得維持數(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對措施。這意味著NORFlashIC在ISO26262兼容系統(tǒng)中使用時，必須向主機控制器提供診斷數(shù)據(jù)，并提供主機修改IC操作的方法，以應對數(shù)據(jù)顯示的更高的故障風險。NORFlashIC的兩個主要特性提供了這些數(shù)據(jù)：ECC引擎，它通過檢測和糾正讀操作中的位錯誤來維護數(shù)據(jù)的完整性允許對ECC引擎的運行進行定期測試的用戶模式ECC數(shù)據(jù)如何支持功能性安全操作在傳統(tǒng)的NORFlashIC中，ECC引擎在后臺運行，以多字節(jié)粒度檢測和糾正位錯誤，不通知主機控制器。然而，事實上，這些ECC［1］數(shù)據(jù)可以以各種方式促進功能性安全合規(guī)。ECC引擎能夠糾正單位錯誤（當主數(shù)據(jù)位和奇偶校驗位之間只有單位差異時）；檢測（但不糾正）雙位錯誤。通過向主機控制器提供狀態(tài)寄存器，NOR閃存設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2．修正錯誤后的良好數(shù)據(jù)3．無法糾正的錯誤數(shù)據(jù)這些“事后”信息可用于幫助維護長期的數(shù)據(jù)完整性。但ISO26262要求汽車系統(tǒng)在出現(xiàn)故障時進行檢測，并立即采取相應措施。來自華邦電子的新型自動NORFlashIC，可通過專用錯誤引腳提供實時錯誤信息。此引腳可以被斷言，以指示無法糾正的數(shù)據(jù)的確切位置。用戶還可以選擇錯誤pin是表示糾正的單比特錯誤，還是表示檢測到的不可糾正的雙比特錯誤。然后，主機可以使用來自狀態(tài)寄存器、錯誤pin或兩者的信息來構(gòu)建錯誤寄存器——實際上是NORFlash陣列的“映射”，記錄位錯誤的位置。然后，主機可以設置一個閾值，以便當某個位置（例如某個特定塊）發(fā)生的錯誤數(shù)量超過這個閾值時，該位置就從內(nèi)存中“退休”了。識別潛在故障的方法到目前為止，上述所描述的措施是關于單點故障處理，ISO26262標準為每個ASIL等級指定了最低檢出率。但該標準還要求汽車系統(tǒng)檢測“潛在故障”。潛在故障本身并沒有違反功能安全要求，但是它可以與第二個故障一起違反這些要求。在NORFlashIC中，存在潛在的潛在故障－ECC引擎故障就是一個例子。正常運行時，NORFlash技術可靠性高，很少需要糾錯。因此，只要ECC引擎故障不會導致它錯誤地糾正好位，故障通常不會引起注意。但是，當由于ECC引擎故障（一個潛在的故障）導致單個壞位未得到糾正時，這兩個故障的組合將對功能安全構(gòu)成風險。為了檢測潛在的ECC引擎故障，華邦電子的automotiveNORFlashIC提供了特殊用戶模式和ECC編碼器讀取命令：這使用戶能夠?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數(shù)據(jù)。如果奇偶校驗數(shù)據(jù)不正確，可以將ECC引擎標記為錯誤。同樣，用戶模式可用于檢查ECC解碼操作：在用戶模式下，用戶將主數(shù)據(jù)和奇偶校驗數(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)和奇偶校驗數(shù)據(jù)中可能會引入單位和雙位錯誤，檢查ECC引擎是否正確執(zhí)行單位錯誤校正和雙位錯誤檢測。華邦電子的建議是，每次系統(tǒng)啟動時都應該執(zhí)行ECC引擎檢查。新的安全功能可用于生產(chǎn)部件為了滿足ADAS產(chǎn)品和其他汽車系統(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新汽車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閃存設備，部分設備將有四進制或八進制接口。串行NAND具有快速的OTA更新寫入時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）模式下實現(xiàn)的，并且是連續(xù)的數(shù)據(jù)輸出，在頁面和塊邊界上沒有間隙。華邦電子最近還推出了W35N01JW，這是一款1Gbit的1．8V八進制NAND閃存設備，讀取速度為240MB／s，比W25N01JW快三倍。1Gbit3VW25N01GV，通過向狀態(tài)寄存器提供信息來支持功能性安全合規(guī)性，該狀態(tài)寄存器顯示在有無ECC的情況下讀出的數(shù)據(jù)是否正