汽车中包含的大多数处理器相对较小且对存储器要求适中, 它们可由SRAM和非易失存储器来实现。到目前为止,对于可能用到DRAM和更强大CPU的计算、图像处理和图像显示,仍然仅限于车辆内对安全性没有要求的娱乐信息系统。高级驾驶感知系统(ADAS)和无人驾驶车辆系统要求使用强大的处理器,它对存储器容量和带宽均有要求,只有使用DRAM才能实现。

汽车中DRAM和SRAM的比较

DRAM芯片是很多计算装置的主要存储器,广泛应用于家庭和办公计算机、服务器和网络、移动装置、电视及机顶盒中。在全球最大的前10家半导体制造商中,DRAM制造商占了三个,2015年总计销售了147亿块DRAM芯片,总价值为450亿美元。

在广阔的市场中,DRAM器件早已超过从前领先的SRAM器件,在营收方面,DR A M 和S R AM之比约为100:1。与SRAM器件相比,DRAM器件具有更高的容量和更低的每比特成本,但SRAM器件可能具有更高的可靠性,而且SRAM可能更容易与CPU集成在同一块芯片上。表1比较了两者在汽车系统中的使用情况。

Auto DRAM Table1

表1:比较汽车应用中的DRAM和SRAM。

尽管DRAM器件销量很大, 却只有很少一部分进入汽车应用。根据经验, 在使用的1,000多个DDR SDRAM接口IP设计方案中,只有约5%与汽车芯片相关,而且DRAM很多是用在娱乐信息系统而非安全相关的系统中。DRAM器件过去为何未能跨越娱乐信息系统而进入汽车的安全相关应用? 这是因为在很多情形下,SRAM能更好地适应汽车安全应用的需要,主要原因有四个:

  • 计算类型: 汽车安全相关应用的计算需求适中,处理来自引擎、刹车、运动传感器的传感器数据,以及驾驶员输入, 从而对引擎和刹车系统进行控制。这些系统的计算需求一般由SRAM支持,不需要DRAM所具有的带宽和容量。
  • 缺少摄像头输入和显示输出:DRAM通常用于满足高清晰音视频输入/输出的计算和缓冲需求。以往除了娱乐信息系统和后视摄像头,一般不需要DRAM所能提供的带宽和存储容量。
  • 可靠性: 与D R A M 相比, 一些S R AM器件能够工作于较高的温度。另外,SRAM器件一般不易受软错误和单粒子翻转(SEU)的影响,若发生单粒子翻转,数据会因原子粒子的冲击而丢失。如果SRAM的容量要求适中(低于几兆比特),SRAM就能与CPU集成于同一片上
  • 系统(SoC),从而使SoC制造商能够对可靠性进行控制。
  • 实时操作系统需求:DR A M 器件需要定期进入离线状态进行内部刷新。某些情形下,实时操作系统可能无法使用定期离线的存储器。

DRAM在汽车中的应用情况正在发生变化。显示屏开始取代模拟仪表为驾驶员提供速度和车辆状态信息,这对安全至关重要。业界对自动驾驶汽车这一概念表现出浓厚的兴趣,一些ADAS功能,如高级导航系统、自适应巡航控制、车道偏离警告、碰撞警告和规避能力等,也越来越多地出现在当今的汽车中。

DRAM使汽车受益

DRAM在下面三个方面促进了汽车发展:

  • 显示器: 高清显示器通常需要DRAM,例如,仪表控制台和平视显示器等会将重要的安全信息传递给驾驶员,在这一类与安全密切相
  • 关的应用中需要DRAM。
  • 处理摄像头和高带宽传感器输入数据的ADAS系统:为ADAS系统提供输入的摄像头和其它传感器会生成大量数据,这些数据需要进一步
  • 的处理来消除噪音、针对不同的照明条件进行调整、并识别对象和障碍物。这类处理需要DRAM所提供的带宽和容量。
  • 自动驾驶汽车: 自动驾驶汽车需要对大量高带宽输入源进行处理,并执行高强度运算,因此需要DRAM。

随着这些应用的出现, 汽车对DRAM的需求将增加。DRAM不会取代SRAM,SRAM仍会继续用于制动和引擎管理,但DRAM会为ADAS和驾驶员信息系统提供新功能。

美国公路损失数据协会的研究表明,与未配备ADAS的汽车相比,配备ADAS、具有“基于摄像头的向前碰撞警告”和“车道偏离警告”功能的汽车碰撞率更低,在身体伤害保险和医疗支付方面的保险损失至少降低了20%。

在美国,由20家汽车制造商组成的集团销售的汽车占到99%,据称到2022年, ADAS特性“自动紧急刹车(AEB)”将成为所有汽车的标准配置。如果驾驶员走神、驾驶技术欠佳、或无法判断将发生的向前碰撞,AEB会自动作用于刹车,防止碰撞或降低碰撞的严重性。

2017年市场上光是中型SUV,至少有12种型号提供“基于摄像头的前向碰撞警告”功能。这些型号来自众多制造商,其中至少9种型号还提供AEB功能,至少4家制造商将“前向碰撞警告”功能作为其中型SUV系列的标准配置。

在汽车系统中使用DRAM的注意事项

DRAM芯片的核心是位单元组成的模拟阵列,它工作时会将少量电荷储存在每个位单元的电容器中(仅数十毫微微法或每个位单元数万电子),每个DRAM裸片上有40或80亿个位单元。

DRAM位单元的一个根本问题是泄漏电荷,因而需要定期刷新来避免存储器中的数据丢失。泄漏速率与温度有关,温度越高,泄漏速率越大。很多汽车制造商倾向于将基于摄像头的ADAS设备置于挡风玻璃上,因为ADAS设备可从清洁挡风玻璃的操作中获益,但是当天气炎热时,直射的阳光和极高的温度可能对ADAS设备有不好的影响。在大多数汽车应用中,DRAM的工作温度范围超出PC类应用中常见的温度范围,因此需要专门设计针对汽车应用的DRAM。

新的ADAS设计中最常见的DRAM器件是LPDDR4 SDRAM。LPDDR4最初是为移动设备设计的,它在容量、速度和形状因数之间达成了平衡,这对汽车应用颇具吸引力。结果,DRAM制造商推出了能够满足汽车温度等级的LPDDR4 SDRAM。

DRAM器件还容易受到SEU所导致的软错误的影响。在DRAM器件出现原子衰减的情况下,或当中微子或其它宇宙粒子撞击DRAM内的原子核 时,附近的位单元可能失去电荷,需进行纠错以恢复丢失的数据。

即使采用了精心设计的物理接口,在LPDDR4数据传输速率下也存在非零误码率,因此必须消除数据传输错误的风险。

有一些方法可用于应对DRAM器件中可能发生的错误,防止错误影响系统的其它部分。DRAM制造商可能会尝试制造具有更好耐温性能的位单元,他们可能也会在DRAM芯片中引入纠错机制,对两次刷新之间丢失电荷的位单元进行纠正。即使DRAM芯片本身能够纠错,SoC设计人员也可能会在DRAM接口上实现纠错功能来对DRAM中的错误进行纠正。

在传统的服务器和网络芯片DDRDRAM设计中,纠错通常都以边带方式传输至DRAM数据。但LPDDR4器件以16位为一个通道,每颗裸片2个通道,每个封装包2~4颗裸片和4个通道,这意味着使用边带管脚来传输边带纠错码(ECC)数据的方案很不实际。在这种情形下,可采用内联ECC方案,使用相同的管脚来传输ECC数据与要保护的数据(图1)。

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图1:边带和内联ECC的比较。

满足汽车标准

若考虑采用SoC设计与片外DR AM相连,可能会要求SoC满足特定的汽车可靠性标准,如AEC-Q100和ISO26262标准。

通过仔细的设计和特征定义,用于实现DRAM接口的硬IP能够满足AEC-Q100要求,包括可靠性和温度要求。ISO 26262则对过程、设计和认证有数项要求。DRAM接口IP要求额外的电路来定期测试接口,确保能在很短的时间内检测到危及安全目标的错误。一般情况下是通过进行第三方认证来评定设计的兼容性并指定ASIL等级。大多数汽车设计至少需要DRAM接口的ASIL B级保护,一些设计可能需要ASIL D级,最高级别保护留给安全处理器及其相关电路。

总结

DRAM器件能够促进汽车在安全性、功能性和便利性方面的发展。通过精心的设计和严格的过程管理,设计人员利用DRAM的高带宽和大容量,来满足驾驶员信息系统、ADAS和自动驾驶汽车所需的计算能力。

作者:Marc Greenberg,Synopsys公司

《电子技术设计》2017年3月刊版权所有,谢绝转载。

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