Wie sich Automobil-Flash-Speicher von Consumer-Geräten unterscheiden

Bei der Suche nach Flash-Speicher für eine neue Anwendung muss man neben der breiten Palette an Produkten, Paketen und Funktionen auch den Unterschied zwischen Consumer- und Automotive-Geräten berücksichtigen. Besonders die unerfahreneren Mitglieder einer Ingenieurgruppe werden Schwierigkeiten haben, den Unterschied zwischen den beiden Graden zu erkennen. Vergleicht man die Angaben in den Datenblättern, sind diese oft ähnlich oder sogar identisch. Obwohl die Pakete und Spezifikationen ähnlich sind, gibt es Unterschiede in den Herstellungsprozessen, dem Lebenszyklusmanagement und der Unterstützung bei der Fehleranalyse für den Fall, dass ein Teil ausfällt.

Der ZVEI (Zentralverband Elektrotechnik- und Elektronikindustrie e.V.) hat in seinem Bericht 2015 66 potenzielle Unterschiede zwischen Consumer- und Automotive-Halbleiterkomponenten aufgezeigt. Zu den Bereichen, in denen es Unterschiede geben kann, gehören die Entwicklung der Halbleitertechnologie, Verpackung und Produktdesign. Wir müssen auch die Validierung, Charakterisierung und Qualifizierung, Herstellung und Prüfung berücksichtigen, bei denen relevante Prozesse und Standards befolgt werden. Beispielsweise sind Geräte für den Automobilsektor über die gesamte Lieferkette vollständig rückverfolgbar. Das Änderungsmanagement beim Lieferanten muss dem JEDEC J-STD-048-Standard entsprechen. So können Kunden Bestellungen aufgeben oder Versanddaten festlegen, wenn Produkte eingestellt werden. Flash-Speicherprodukte für die Automobilindustrie sind in der Regel AEC-Q100 Grade 2 (-40 °C bis +105 °C) konform, werden durch den Production Part Approval Process (PPAP) von Production Parts freigegeben und bieten langfristigen Support.

Flash-Speicher für die Automobilindustrie

Elektronische Systeme in der Automobilindustrie befinden sich aufgrund der Komplexität von Fahrerassistenzsystemen (ADAS), autonomem Fahren (AD) und der Nachfrage der Verbraucher nach einem nahtloseren Erlebnis, ähnlich dem von Smartphones auf dem Fahrersitz, ebenfalls in einer Zeit großer Veränderungen . Elektronische Steuereinheiten (ECUs) haben erhöhte Anforderungen an die Flash-Speicherkapazität aufgrund der Zunahme von Anwendungen, die große Mengen an Speicherplatz benötigen, wie z. B. Telematik, Fahrzeug-Infotainment oder sogar Ereignisdatenaufzeichnung (Abbildung 1).

Basierend auf internen Daten prognostiziert Quantum, dass einzelne Fahrzeuge jeden Tag zwischen 5 TB und 20 TB an Daten verbrauchen werden. Ein Betrag, der höher ist als der durchschnittliche monatliche Verbrauch einer Person, die ihr Smartphone nutzt. Der Speicher wird für Offline-Karten und Infotainment-Dateien verwendet und bietet einen Speicherort für Over-the-Air (OTA)-Updates, bis sie installiert werden können. Es wird zunehmend verwendet, um Kamerabilder und Sensordaten zu speichern, um maschinelle Lernalgorithmen zu optimieren.

Was sich nicht ändert, ist die Umgebung, in der diese elektronischen Steuergeräte arbeiten. Die Automobilumgebung ist konstant hohen Temperaturen, wechselnden Umgebungsbedingungen und ständigen Stößen und Vibrationen ausgesetzt. Von all diesen Faktoren ist die hohe Temperatur der problematischste Faktor für Flash-Speicher.

Datenaufbewahrung auf NAND-Flash

Der Prozess des Schreibens von Daten in NAND-Flash-Zellen verursacht einen Programmier-Lösch-Zyklus (P/E), der das Anlegen einer relativ hohen elektrischen Ladung erfordert. Allerdings führt jeder Programmier-Lösch-Zyklus zu einer winzigen Verschlechterung der Oxidschicht auf der Zelle, was die endliche Lebenserwartung von Flash-Speichern erklärt. Ab einem bestimmten Punkt wird diese Oxidschicht geschwächt, bis sie die zum Speichern der Daten benötigte Ladung nicht mehr zuverlässig halten kann. Der Wechsel von der Single-Layer-Cell(SLC)-Speicherung, die 1 Bit pro Zelle speichert, zur Triple-Level-Cell(TLC)-Speicherung hat dieses Problem verschärft. Da der TLC acht verschiedene Spannungen verwendet, um die Werte von "000" bis "111" darzustellen, die jede Zelle speichert, muss der NAND-Controller die Zellen ständig aktualisieren, um sicherzustellen, dass die Schwellenspannung beibehalten wird.

Die elektrische Ladung baut sich im Laufe der Zeit auf natürliche Weise ab, aber die Verlustrate hängt von der Temperatur und dem Zustand der Zelle ab. Der Betrieb von NAND-Flash bei niedrigen Temperaturen, unter 40 °C, ist kein Problem. Allerdings führt jede Temperaturerhöhung über diesen Schwellenwert hinaus zu einer drastischen und exponentiellen Verringerung der Datenerhaltung, wie in der Arrhenius-Gleichung beschrieben (Abbildung 2). Einige der durch diese Verschlechterung verursachten Fehler werden teilweise durch ECC-Routinen (Error Correcting Code) innerhalb des Flash-Treibers maskiert. Ab einem bestimmten Punkt können jedoch keine Schreiboperationen mehr durchgeführt werden und die Zelle gilt als ausgefallen. Der zugehörige Block wird als verbraucht markiert, um sicherzustellen, dass er nicht mehr verwendet wird.

Obwohl Anwendungsprogrammierer glauben zu wissen, wie viele Daten in ihren Flash-Speicher geschrieben werden, sieht die Realität oft anders aus. Sowohl NAND- als auch verwaltete NAND-Speicher basieren auf einem Flash-Speichercontroller, der Schreibzugriffe auf Geräteblock- und Seitenebene verwaltet. Beispielsweise werden gelegentlich unterschiedliche kleine Datenmengen, die über mehrere Blöcke verteilt sind, in einen einzelnen Block übertragen, um mehr Platz für andere zu schreibende Daten zu schaffen. Diese Aktion hängt jedoch nicht mit dem Datenschreibprozess zusammen, der auf der Anwendungsebene initiiert wird, und diese zusätzlichen Lese-Lösch-Modifizier-Schreib-Zyklen bewirken eine Beschleunigung des Verschleißes. Dieser Unterschied zwischen den von der Anwendung geschriebenen Daten und dem tatsächlichen Schreiben in die Flash-Zellen wird als Write Amplification Factor (WAF) bezeichnet. Im Idealfall wäre eine WAF nahe 1 am besten (Abbildung 3). Daher ist es wichtig, Workload-Traces zu überprüfen, wenn Sie mit verwaltetem NAND wie e-MMC- oder UFS-Speicher arbeiten.

Best Practices für das Flash-Datenmanagement in der Automobilindustrie

Da Flash-Treiber versuchen, die Speichernutzung zu optimieren, indem ungenutzter Totraum neu angeordnet wird, ist es sinnvoll, das Schreiben kleiner Datenblöcke zu vermeiden. Es sollte versucht werden, genügend Daten zu sammeln, um eine ganze Seite zu füllen, bevor sie im Flash-Speicher gespeichert werden. Dadurch werden Schreibvorgänge auf Flash-Laufwerken effizienter und schonen das Gerät. Datenerfassungsanwendungen sind besonders anfällig für dieses Problem. Wenn die Daten beispielsweise keine Seite füllen, lohnt es sich, sie zu puffern, bis ein ganzer Block gefüllt ist (Abbildung 4). Verwaltete NAND-Geräte wie das KIOXIA Automotive THGAFBT2T83BABI 512 GB UFS bieten eine Schreib-Cache-Funktion, die in solchen Fällen aktiviert werden kann.

Abbildung 4: Bei der Verwaltung kleiner Datenmengen, z. B. bei der Diagnoseprotokollierung, ist es sinnvoll, Daten nur dann zu schreiben, wenn sie eine ganze Flash-Seite oder einen Block füllen.

Schließlich bietet Managed Storage Informationen über den Zustand des NAND-Flash-Speichers. Zum Beispiel Daten zum Verschleiß oder zur Lebenserwartung. Der Diagnosedatenbereich des e-MMC ist begrenzt und wird sich wahrscheinlich nicht verbessern. JEDEC reagiert jedoch auf Verbesserungswünsche im Bereich der Diagnosedaten für UFS-Speicher und trägt so zu seinem Wachstum als bevorzugte verwaltete NAND-Option bei. Beide Speicherarten bieten auch die Möglichkeit, gespeicherte Daten bei Bedarf zu aktualisieren. Dadurch wird überprüft, welche Blöcke als "gefährdet" für Datenverlust angesehen werden, und sie werden dann an einen neuen, weniger abgenutzten Ort verschoben.

UFS wird aufgrund seiner höheren Leistungsfähigkeit auch in Automobilanwendungen immer beliebter. UFS-Systeme booten 2,5 % schneller als e-MMC-Systeme und 10-mal schneller als QSPI NOR (Abbildung 5). Die UFS-Speicherlösungen von KIOXIA bieten erweiterte Diagnosen, überwachen Aspekte wie Schreib-/Löschzyklen und aktuelle Temperatur und informieren den Host-Prozessor, damit er geeignete Maßnahmen ergreifen kann. Dadurch profitieren Systeme von einer jahrzehntelangen Datenspeicherung.

Automobil-Flash-Laufwerke sind wirklich anders

Obwohl der Inhalt der Datenblätter für Consumer-Sticks und Automotive-Sticks ähnlich ist, gibt es Unterschiede sowohl auf der physikalischen Ebene als auch auf der Prozessebene zwischen den Produkten. Verwalteter Speicher wie UFS bietet auch eine wachsende Sammlung von Daten und Diagnosefunktionen, die zur Verlängerung der Lebensdauer der Anwendung verwendet werden können. Darüber hinaus ist es beim Booten erheblich schneller als e-MMC- und QSPI-NOR-Alternativen. Entwicklungsteams sind außerdem für die Lebensdauer ihrer Anwendungen durch einen verbesserten Produktfreigabeprozess geschützt, dank PPAP, Lieferkettenmanagement und EOL-Vorankündigung, eingehender Fehleranalyse im Falle des Ausfalls eines Teils und deren Rückverfolgbarkeit.