理解汽车DDR DRAM

作者:Synopsys,产品营销主管Marc Greenberg

汽车中包含的大多数处理器相对较小且对存储器的要求适中,它们可由SRAM和非易失存储器来实现。对于计算密集、图像处理以及图像显示这些可能需要用到DRAM和更强大CPU的应用,到目前为止,它们仍然被限制在车辆内那些非安全关键的娱乐信息系统中。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,这类处理器对存储器容量和带宽均有要求,仅当使用DRAM时这才是可能的。设计人员需要理解在安全关键汽车系统中使用DRAM的益处,以及一些共同注意事项,诸如误码率和满足严格汽车行业的有关标准如ISO 26262。

汽车中DRAM和SRAM的比较
作为很多计算装置中的主要存储器,DRAM芯片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,以及机顶盒中。在全球最大的前10家半导体制造商中,DRAM制造商占据了三个,它们在20151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装置凌驾于SRAM装置之上,之前则是SDRAM领先,在营收方面,DRAM和SRAM之比约为100:11。与SRAM装置相比,DRAM装置具有更高的容量、更低的每比特成本,但SRAM装置可能具有更高的可靠性,而且SRAM可能更容易集成到与CPU相同的芯片上。表1比较了两者在汽车系统中的使用情况。

汽车应用中的DRAM和SRAM使用比较

表1:汽车应用中的DRAM和SRAM使用比较

DRAM装置销售量巨大,但它只有很少一部分进入车载领域。按照Synopsys的经验,在1000多个DDR SDRAM接口IP的设计中标中,只有约5%的部分进入汽车芯片领域,而且在使用DRAM的车芯片相关设计中,很多用在娱乐信息方面,而不是安全相关的系统中。

在过去,DRAM装置为何未能超出娱乐信息方面并进入汽车的安全关键领域?这是因为在很多情形下,SRAM能更好地适应汽车的安全关键领域,有四个主要原因:

  1. 计算类型: 在汽车领域,安全关键方面的计算需求适中: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是由SRAM支持的,不需要用到DRAM所具有的带宽和容量。
  2. 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。在以往,除了娱乐信息和后视摄像头外,一般不需要用到DRAM所能提供的带宽和存储容量。
  3. 可靠性: 与DRAM相比,一些SRAM装置能够工作在较高的温度下。另外,SRAM装置一般不太容易受到软件错误和单粒子翻转(SEU)的影响,其中,数据会因原子粒子冲击而丢失。如果SRAM的容量要求不高(低于数兆比特),就能将SRAM集成在与CPU相同的片上系统(SOC)中,从而使得SOC制造商能够对可靠性进行控制。
  4. 实时操作系统(RTOS)需求: DRAM装置需要定期进入离线状态以进行内部刷新。在某些情形下,实时操作系统可能无法使用需定期离线的存储器。

然而,对于汽车领域的DRAM,情况正在发生变化。显示屏开始取代模拟仪表来为驾驶员提供速度和车辆状态的信息,这是安全关键应用。整个行业对自动驾驶汽车概念表现出浓厚的兴趣,显而易见,这是一项长期目标,对于ADAS的多种特性,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,已经出现在当今的车辆中。

DRAM在汽车领域中的益处
DRAM是一种使能技术,在三个方面促进了汽车发展:

  1. 显示: 高清晰显示屏通常需要DRAM,诸如仪表控制台和平视显示屏等显示屏会将安全关键信息传递给驾驶员,在这类安全关键应用中需要DRAM。
  2. 处理摄像头和高带宽传感器输入的ADAS系统: 为ADAS系统提供输入的摄像头和其他传感器,会生成大量数据,这些数据也需进一步处理,以便消除噪音,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。
  3. 自动驾驶车辆: 自动驾驶车辆需要对大量高带宽输入源进行处理,并执行高强度运算,从而必需要用到DRAM。

随着这些应用的出现,车辆领域对DRAM的需求将增加。DRAM不会替代SRAM,SRAM仍会继续用于制动和引擎管理,但DRAM会在ADAS和驾驶员信息系统中提供新的能力。

美国公路损失数据协会的研究表明,对于具有或不具有ADAS可选特性“基于摄像头的前部碰撞警告”和“车道偏离警告”的类似车辆,与未配备ADAS的汽车2相比,配有ADAS的车辆具有更低的碰撞率,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%,按照其说法,到20223年,在它们所有的车辆上,ADAS特性“自动紧急刹车(AEB)”将成为标准配置。如果驾驶员走神、技能不熟练、或无法识别迫近的前部碰撞,AEB会自动作用在刹车上,防止或降低碰撞的严重性。

对于考虑在2017年购买车辆的人员,仅看中型SUV(美国郊区的大众车型),市场上至少有12种中型SUV配有“基于摄像头的前部碰撞警告”系统,它们来自众多制造商,其中,至少9种还提供了AEB,至少4家制造商将“前部碰撞警告”作为其中型SUV系列中的标准配置。

将DRAM添加到汽车系统时的注意事项
DRAM芯片的核心是由模拟位单元组成的阵列,它工作时会将少量电荷储存在每一位单元的电容器上,仅为数十毫微微法或每位单元数万电子,每个DRAM裸片上有40或80亿个位单元。将DRAM引入车辆时,我们需对系统进行一些改造以满足车辆在典型工作条件下的可靠性要求。

DRAM位单元的一个基本问题是它们会泄漏电荷,需定期刷新来避免存储器中的数据丢失。泄漏速率与温度相关,高温下的泄漏速率更大。很多汽车制造商倾向于将基于摄像头的ADAS模组置于挡风玻璃上,在该位置处,当清洁挡风玻璃时,可从清洁操作中获益,但当车辆在炎热天气下停放在阳光充足的位置时,也会面临直接日照和可能极高温度的影响。对于大多数汽车应用,其工作温度范围超出了DRAM在PC类应用下的常见工作范围,这就导致了面向汽车应用而专门设计的DRAM的出现。

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

DRAM装置还容易受到因单粒子翻转(SEU)而导致的软错误的影响,SEU是DRAM装置上的电离辐射效应。在DRAM装置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,附近的位单元可能会失去电荷,从而需进行纠错以恢复丢失的数据。

即使采用了精心的物理接口设计,在LPDDR4的数据传输速率下,也存在非零误码率,因此必须对数据传输错误的风险进行处理。

有一些方法能减轻在DRAM装置中可能发生的潜在错误,防止错误扩散到系统的其他部分。DRAM制造商可能会尝试制造具有更强温度抗性的位单元,DRAM制造商可能也会在DRAM模中引入纠错机制,对在刷新之间丢失电荷的位单元进行更正。即使DRAM中存在纠错特性,SOC设计人员可能也会在DRAM接口上引入纠错功能来对DRAM中的错误进行纠正。

在传统的服务器和网络芯片DDR DRAM设计中,任何纠错通常以边带方式传输至DRAM数据。然而,LPDDR4装置以16位为一个通道,每个裸片2个通道,每个封装包2-4裸片,每个封装包4个通道,这种DRAM组织形态意味着使用边带管脚来传输纠错码(ECC)数据的边带设计方案很不实际。在该情形下,可采用内联ECC方案,将ECC数据与要被保护的数据使用相同的管脚来传输(图1)。

边带和内联ECC的比较

图1:边带和内联ECC的比较

满足汽车标准
当考虑采用SOC设计来与片外DRAM相连时,可能会要求SOC满足特定的汽车可靠性标准,典型情况下为AEC-Q100和ISO 26262。

通过仔细设计和表征,用于实施DRAM接口的硬核化IP能够满足AEC-Q100要求。AEC-Q100涵盖了可靠性和温度相关要求。

ISO 26262则对设计流程、设计和认证有数项要求。核心要求是,需有规定的设计安全方法,以及负责过程实施的安全管理。DRAM接口IP要求额外电路来定期测试接口,确保能在很短时间内检测到危及安全目标的大多数错误。典型情况下,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,最高级别保护预留给安全处理器及其相关的电路。

结论
DRAM装置是一种使能技术,能够促进汽车在安全性、功能性和便利性方面的发展。精心的设计和严格的过程管理,能够将DRAM引入到汽车的安全关键领域,DRAM提供高带宽和大容量,从而使得驾驶员信息系统、ADAS和自动驾驶车辆中的必要计算能力成为可能。

Synopsys提供了多种DDR接口IP,包括PHY、控制器、验证IP、体系结构设计模型、以及原型系统。关于适合贵方下一个车载芯片设计的车载认证IP,请询问你的Synopsys代表。

参考:
1麦克林IC洞察报告,2016
2公路数据损失协会,2016
3国家公路运输安全局