Cómo se diferencian las memorias Flash para automoción de los dispositivos para consumidores
Al buscar una memoria Flash para una nueva aplicación, además de la amplia gama de productos, paquetes y capacidades, también se debe tener en cuenta la diferencia entre los dispositivos para consumidores o para el sector de la automoción. Especialmente aquellos miembros más inexpertos de un grupo de ingenieros tendrán problemas para encontrar la diferencia entre ambos grados. Comparando las especificaciones en las fichas de datos, estas suelen ser similares o incluso idénticas. Sin embargo, aunque los paquetes y especificaciones son similares, existen diferencias en los procesos de manufactura, en la gestión del ciclo de vida y en el soporte de análisis de averías en caso de que una pieza falle.
En su informe de 2015, la ZVEI (Asociación Alemana de Fabricantes de Material Eléctrico y Electrónico) destacó 66 diferencias potenciales entre los componentes semiconductores para consumidores y para el sector de la automoción. Entre las áreas donde puede haber diferencias, se encuentran el desarrollo de la tecnología de semiconductores, el empaquetado y el diseño del producto. También debemos considerar la validación, caracterización y cualificación, manufactura y pruebas, en las que se siguen procesos y normas relevantes. Por ejemplo, los dispositivos para el sector de la automoción cuentan con total trazabilidad a lo largo de su cadena de suministro. La gestión de cambios con el proveedor debe cumplir la norma JEDEC J-STD-048. Esto permite a los clientes enviar pedidos o determinar fechas de envío cuando los productos se descatalogan. Normalmente, los productos de memoria Flash para el sector de la automoción cumplen la norma AEC-Q100 de grado 2 (-40 °C a +105 °C), se lanzan mediante el proceso Production Part Approval Process (PPAP) o Proceso de Aprobación de Piezas de Producción y cuentan con un soporte a largo plazo.
Memorias Flash para automoción
Los sistemas electrónicos del sector de la automoción también se encuentran en un periodo de grandes cambios debido a las complejidades de los Sistemas avanzados de asistencia al conductor (ADAS), la Conducción autónoma (AD) y las exigencias de los consumidores de disfrutar de una experiencia similar a la de los teléfonos inteligentes en el asiento del conductor. Las unidades electrónicas de control (ECU) han aumentado las exigencias de la capacidad de memoria Flash, debido al crecimiento de aplicaciones que requieren grandes cantidades de almacenamiento, como la telemática, el infoentretenimiento en el vehículo o incluso los registradores de datos de eventos (Figura 1).
Según datos internos, Quantum predice que los vehículos individuales consumirán entre 5 TB y 20 TB de datos cada día. Una cantidad superior al consumo mensual promedio de una persona usando su teléfono inteligent . El almacenamiento se utiliza para mapas sin conexión, archivos de infoentretenimiento y proporciona una ubicación para las actualizaciones Por Aire (OTA) hasta que estas se puedan instalar. Se utiliza cada vez más para almacenar imágenes de cámaras y datos de sensores para optimizar los algoritmos de aprendizaje automático.
Lo que no cambia es el entorno en el que operan estas unidades electrónicas de control. El entorno de la automoción está sujeto a constantes altas temperaturas, diferentes condiciones ambientales y continuos golpes y vibraciones. De todos estos factores, la alta temperatura es el factor más problemático para las memorias Flash.
Retención de datos en NAND Flash
El proceso de escritura de datos en las celdas NAND Flash provoca un ciclo de programación-borrado (P/E), que requiere la aplicación de una carga eléctrica relativamente alta. Sin embargo, cada ciclo de programación-borrado resulta en una minúscula degradación de la capa de óxido en la celda, lo cual explica la esperanza de vida finita de las memorias Flash. Llegado a cierto punto, esta capa de óxido queda debilitada hasta que no puede mantener de una forma fiable la carga necesaria para almacenar los datos. El desplazamiento del almacenamiento en celda de una capa (SLC), que almacena 1 bit por celda, al de celda de triple nivel (TLC) ha exacerbado este problema. Dado que el TLC utiliza ocho voltajes diferentes para representar los valores de «000» al «111» que almacena cada celda, el controlador de NAND debe refrescar las celdas constantemente para garantizar que se mantiene el voltaje de umbral.
La carga eléctrica se degrada de forma natural con el paso del tiempo, pero el índice de pérdidas depende de la temperatura y del estado de salud de la celda. El funcionamiento de NAND Flash a bajas temperaturas, a menos de 40 °C, no supone problemas. Sin embargo, cualquier aumento de temperatura por encima de este umbral supone una reducción drástica y exponencial de la retención de datos, tal y como se describe en la ecuación de Arrhenius (Figura 2). Algunos de los errores causados por esta degradación quedan parcialmente enmascarados por las rutinas del código de corrección de errores (ECC) dentro del controlador Flash. Sin embargo, llegado cierto punto, las operaciones de escritura ya no se pueden realizar, y se considera que la celda ha fallado. El bloque asociado se marca como gastado para garantizar que ya no se utiliza.
Aunque los programadores de aplicaciones creen que saben cuántos datos se escribirán en sus memorias Flash, la realidad suele ser distinta. Tanto las memorias NAND como las NAND gestionadas dependen de un controlador de memoria Flash que gestiona los accesos de escritura a nivel de página y bloque del dispositivo. Por ejemplo, ocasionalmente diferentes cantidades pequeñas de datos esparcidos en varios bloques se transfieren a un solo bloque para crear más espacio para otros datos que se están escribiendo. Sin embargo, esta acción no está relacionada con el proceso de escritura de datos iniciado a nivel de aplicación, y estos ciclos adicionales de lectura-borrado-modificación-escritura causan que el desgaste se acelere. Esta diferencia entre los datos escritos por la aplicación y la escritura real en las celdas Flash se conoce como el factor de amplificación de escritura (WAF). Idealmente, lo mejor sería un WAF cercano a 1 (Figura 3). Por lo tanto, es esencial revisar las trazas de carga de trabajo cuando se trabaja con NAND gestionadas, como el almacenamiento e-MMC o UFS.
Mejores prácticas de gestión de datos con Flash para el sector de la automoción
Dado que los controladores Flash intentan optimizar el uso de la memoria al reorganizar el espacio muerto no utilizado, es útil evitar la escritura de pequeños grupos de datos. Debe intentarse recopilar suficientes datos para llenar una página entera antes de guardarlos en el almacenamiento Flash. Como resultado, las operaciones de escritura del controlador Flash se vuelven más eficientes y el dispositivo se desgasta menos. Las aplicaciones de registro de datos son especialmente propensas a este problema. Por ejemplo, si los datos no llenan una página, vale la pena guardarlos en el búfer hasta que se llene un bloque entero (Figura 4). Los dispositivos NAND gestionados, como el UFS THGAFBT2T83BABI de 512 GB para el sector de la automoción de KIOXIA, proporcionan una función de caché de escritura que se puede activar en estos casos.
Figura 4: Al gestionar pequeñas cantidades de datos, como el registro de diagnósticos, tiene sentido escribir los datos solo cuando estos llenan una página o bloque Flash entero.
Finalmente, el almacenamiento gestionado ofrece información sobre el estado de salud de la memoria NAND Flash. Por ejemplo, datos sobre desgaste o la esperanza de vida. El rango de datos de diagnóstico de la e-MMC es limitado y es poco probable que mejore. Sin embargo, JEDEC responde a solicitudes de mejora en el campo de los datos de diagnóstico para almacenamiento UFS, contribuyendo así a su crecimiento como la opción de NAND gestionada preferida. Ambos tipos de almacenamiento también ofrecen la posibilidad de actualizar los datos almacenados cuando o si se necesita. Esto revisa qué bloques se consideran «en riesgo» de pérdida de datos, y entonces los transfiere a una ubicación nueva y menos desgastada.
El UFS es también cada vez más popular en las aplicaciones para automóviles debido a su mayor rendimiento. Los sistemas UFS arrancan un 2,5 % más rápido que los sistemas e-MMC y 10 veces más rápido que QSPI NOR (Figura 5). Las soluciones de almacenamiento UFS de KIOXIA proporcionan un Diagnóstico extendido, aspectos de monitorización como los ciclos de escritura/borrado y la temperatura actual, e informa al procesador Host para que este pueda tomar medidas adecuadas. Como resultado, los sistemas se benefician de una retención de datos medida en décadas.
Las memorias Flash para automóviles son verdaderamente diferentes
Aunque el contenido de las fichas de datos de las memorias para consumidores y las memorias Flash para automóviles es parecido, existen diferencias tanto a nivel físico como a nivel de proceso entre los productos. El almacenamiento gestionado, como el UFS, también ofrece una colección en crecimiento de datos y características de diagnóstico que se pueden usar para extender la vida de la aplicación. Además, es considerablemente más rápido durante el arranque que las alternativas e-MMC y QSPI NOR. Los equipos de desarrollo también están protegidos durante la vida útil de sus aplicaciones con un proceso mejorado de lanzamiento de productos, gracias al PPAP, la gestión de la cadena de suministro y el aviso previo de EOL, el análisis de averías en profundidad en caso de que una pieza falle y la trazabilidad de las mismas.
