Allion Labs / Richard Shen

近年來隨著越來越多的電子產品被整合到汽車艙內和引擎蓋內部,汽車電子產品的進步引領了車聯網、先進駕駛輔助系統(ADAS)、GPS導航,以及功能豐富的資訊娛樂系統(IVI)的時代。汽車應用需要高度可靠的記憶儲存技術,以支援現代汽車系統的運算和資料儲存需求,並且可在所有應用程序和嚴苛環境下完美執行。

一個典型的高端汽車可以包含超過 2到3億行程式碼(註1),這使得汽車成為現在以及未來的最大的軟體平台之一,這軟體平台不僅是汽車行駛內建的行車系統必備的項目,安全性與APP應用也有強大的需求,因此汽車內的儲存能力也因此不斷擴充,以跟上不斷增長的資料與程式儲存需求。這不僅僅是驅動儲存能力成長的車載軟體複雜性,還得要考慮長期壽命與擴充功能,例如 3D HD 地圖和資料記錄器 (黑盒子),這是實現即將到來的自動駕駛所需的必要技術,對整體資料儲存需求產生深遠影響。

在不久的將來,如果有汽車發生意外,如何找到出錯的環節會是關鍵!找出問題的方法之一是重建事故發生前車輛活動的最後 30 秒,使用所有感測器資料的記錄,重新顯示感測器所看到的內容,以及透過人工智能 (AI) 演算法根據此資料所採取的動作。預測未來自動駕駛汽車中的傳感器數量以及這些傳感器的相應分辨率和頻寬時,超過幾GB/s的數據速率將是常見的。黑盒子不僅用於存儲與事故實例相關的數據,還用於自動緊急煞車系統(AEB)的事件或情況,這可能意味著算法或傳感器的行為不正確或可能受益於額外的調整,這些資訊對於人工智慧演算法的微調,以及最終自動駕駛汽車的大量部署而言是非常寶貴的。

Source: 科技政策研究與資訊中心(STPI)

 

現行常見的車內儲存裝置有分成以下幾種

Type Protocol Speed
SD SD 10MB/s Class 10

624MB/s(UHS-III)

eMMC MMC 140MB/s (eMMC 4.5)
PATA SSD ATA 167MB/s (UDMA 7)
SATA SSD SATA 600 MB/s (SATA 3.0)
NVMe SSD NVMe 3.94 GB/s (PCIe GEN 3 x4)

不論廠商設計的是哪一種儲存裝置,汽車產業對非揮發性記憶體NVM (Non-Volatile Memories)有特定要求,與其他市場應用需求有很大差異,最明顯的是工作溫度範圍 (介於-40° C 至 + 150° C 環境以上),以及壽命最高可能長達可達 20 年在一輛車上, 服務供應需長達 20 年,對變更管理嚴格的規則也增加了這一點。 此外,安全性需求可能適用於系統和 NVM 設計。

廠商在考量車用儲存裝置往往懂得挑選通過國際汽車電子協會(Automotive Electronics Council),簡稱AEC)作為車規驗證標準零件,如 AEC-Q100(IC晶片)及 AEC-Q200(被動元件)零件,卻沒有考量到後續整合性的驗證,這樣是不足的,AEC-Q驗證只是汽車電子元件認證的一部分。電子元件的品質和可靠性以及評估汽車的可能性是需要另外進行設計,包括從產品與技術規劃到生產和物流的所有流程。

如果僅靠著通過法規測試可能無法彌補其中一個流程的差距,最終可能導致 NVM 元件的品質和可靠性特性不完整的描述和評估。

因為NVM Storage 有以下的特性:

NVM Storage本質上儲存型快閃記憶體(NAND)的抹除次數有其一定的限制且容易隨著時間的推移導致數據丟失並降低速度,例如通過寫入/擦除循環,不正常的開關機器等,電壓不穩定等嚴苛於電腦中的使用狀況因此會讓故障可能性大大增加,這些都與整體製造過程、設計和/或使用有相對應關係。

對於汽車電子元件的期望是,它在車輛的整個使用壽命中,在任何環境的條件下,均能符合各一級(Tier1)車電大廠期待的複雜參數組合,其行為完全如數符合車廠要求。確保汽車應用中 NVM Storage之類的整體符合此規範。

良好的NVM Storage必要條件

就讓百佳泰借用第一線大廠BOSCH 的建議該如何設計一個好的NVM Storage

A. Mission Profile Definition

從電子控制單元 (ECU) 製造到車輛操作,均會收集NVM的所有應用需求。 這通常根據車輛製造商的要求,在設備供應商 Tier 1 級組織內完成。

  • 重點: 了解 Tier 1 廠商需求

B. Identification of the Relevant NVM Failure Mechanisms

廠商在設計應用需求上必須對應至NVM元件中對應的內部屬性和各自的失效機制需要有完整NVM 物理學和設計,以識別所有相關的故障機制,這是 NVM 供應商的核心能力。

NVM 的一般要求是資料保留(Data Retention)、可重新編程,在車輛嚴峻環境下的各種條件下,車輛正常使用壽命內NVM效能不能顯著改變。 一些相應的故障機制,例如在 Flash等記憶體,在面對各種電荷損失機制,讀取編程和擦除干擾,隧道氧化物因編程和擦除而退化,等等引起的讀干擾效能降低(Read-disturb degradation)。 這些機制往往需要廠商妥善整合NVM 技術,例如在有良好的存儲單元和陣列架構的設計以及完整的擦除和讀取的條件演算法。

  • 重點:廠商須了解或處理以識別所有相關的故障機制,避免淺在的風險

C.Trial Planning and Execution

這需要深入了解 NVM 的物理學以及 NVM 的品質和可靠性專業知識。每個故障機制都需要識別加速模型、其參數和模型限制。試驗和實驗需要規劃和Tier 1 級組織共同商定。執行通常屬於 NVM 供應商或者第三方實驗室。

  • 重點:廠商須要自建加速性測試實驗室,或者尋求第三方實驗室協助

D. Reliability Assessment

最後,根據汽車應用的任務輪廓評估 NVM 元件的可靠性和耐用性。這是根據所取得的可靠性資料,再另外考慮到設計功能 (和限制),例如錯誤修正碼 (ECC)、自適應讀取演算法 (例如讀取重試) 和韌體管理 (例如區塊重新整理和磨損均衡)。可以將由於韌體、控制器和 NAND 快閃記憶體之間的互動合併驗證。

  • 重點:例如SSD 產品有控制器(Controller),快閃記憶體(DRAM) NAND Flash Firmware 再驗證時可視為單一產品, 技術與元件層級的可靠性特性不需要加以分離

 

百佳泰可以協助NVM Storage廠商跨入汽車驗證的領域,從產品需求規格溝通到測試驗證協助Debug,甚至車聯網相關領域的各種測試與除錯皆是我們的專業範疇,若有需要相關諮詢,還請聯繫我們 https://www.allion.com.tw/aiot-service/automotive-test/

額外參考資訊

汽車電子零件法規驗證

  • AEC-Q100(IC晶片)
  • AEC-Q200(被動元件)
  • ISO 16750 (Road vehicles—Environmental conditions and electrical testing for electrical and electronic equipment)
    • Part 1: General
    • Part 2: Electrical loads
    • Part 3: Mechanical loads
    • Part 4: Climatic loads
    • Part 5: Chemical loads

百佳泰綜合標準驗證程序

Type Environmental Mechanical and Electrical Reliability
1 Temperature Step Test Mechanical Shock Life-Time Test

(TBW)

2 Low Temperature Test Random Vibration with Temperature Power Cycle
3 Temperature Shock Four Corner Power Fault and Recovery
4 High Temperature & High Humidity Voltage Drop Test Data Retention
5 Chemical Test EMC Radiated Emission Read Disturb
6 Operational Altitude EMC Radiated Immunity Performance Stability

註1:

Robert N. Charette , IEEE Sprctrum

Software in cars is only going to grow in both amount and complexity. Late last year, the business research firm Frost & Sullivan estimated that cars will require 200 million to 300 million lines of software code in the near future. https://spectrum.ieee.org/green-tech/advanced-cars/this-car-runs-on-code/0