超高写入速度的QspiNAND：汽车OTA升级新选择

2020-12-28 12:56:11 邦电子（美洲）技术总监Anil Gupta

近日，宝马集团宣布将对全球逾75万辆汽车进行OTA（Over-The-Air Technology）升级，将车内的宝马7.0操作系统升级到最新版本。升级内容涉及数字化服务、驾驶辅助、电气、底盘和动力系统等模块。如今，进行汽车远程OTA升级已不再是造车新势力们的“专利”。在传统汽车阵营，上汽通用也在和宝马一样进行OTA升级。由此可见，OTA升级正迅速发展成为未来智能汽车的必备功能。这主要有两个原因：

首先，随着汽车系统程序代码的指数级增长，汽车越来越多地成为网络攻击的目标。通过软件实现驾驶辅助功能的汽车，如果系统软件遭到黑客攻击或篡改，那么在自动驾驶模式下，驾驶员和乘客都将面临危险。通过OTA 更新，系统可迅速将安全补丁安装至有风险的固件中，从而更加有效地保障行车安全。其次，采用OTA升级更具成本优势和便利性。不仅可以帮助车主节省时间、省去麻烦，还能帮助制造商与维修中心节约更新成本。OTA更新的成本近乎为零，因此制造商们可通过更高频次的软件系统升级来持续提升汽车的整体价值。

传统上，SPI NOR 闪存因其高可靠性、高数据完整性和长期数据保留的能力成为程序代码存储的常规选择。但在最近的电子工程研究发表及技术会议上，考虑使用串行NAND闪存替代SPI NOR的相关讨论，引起了广泛关注。

图1：Audi A7车款的“自动驾驶概念”，图中显示新车款设计中的传感器数组。

（图片出处：AUDI AG）

擦除与写入速度更快

OTA更新必须足够安全、可靠，而且最重要的是速度要快。速度对用户来说至关重要，因为汽车在进行更新时无法使用。另外，更新过程越短，汽车与原厂数据中心之间网络连接由于故障而中断或停用的可能性就越低。针对加速软件更新，新的串行NAND闪存产品比SPI NOR闪存具有更明显的优势。快速写入是串行NAND闪存的固有优势，即使没有采用专属的加速技术也是如此。

OTA更新作业分两个阶段执行：首先，将旧程序代码从内存中擦除，然后写入新的程序代码。如图2中数据显示，串行NAND的擦除速度大约是SPI NOR的100倍。而且，华邦高性能QspiNAND（Quad SPI NAND）闪存的编程速度大约比市面上最高速的SPI NOR闪存快五倍。从写入处理速度来说，串行NAND闪存比SPI NOR闪存还要快十倍以上。

这代表，如果将前置摄像头的2Gb软件堆栈存储在由两个W25N01JW芯片组成的单片W25N02JW设备中，则编程时间仅需35秒。而将相同的程序代码存储在采用W25H02JV的SPI NOR闪存数组，则需要22分钟。

图2：SPI NOR与QspiNAND闪存设备的写入速度比较。（数据来源：华邦）

除了擦除和编程速度的优势，华邦车规级QspiNAND闪存基于SLC（Single Level Cell）架构，该架构采用通过验证且稳定可靠的46纳米制程，具备与SPI NOR闪存不相上下的数据完整性和耐用度。华邦SLC NAND闪存可在汽车的整个使用寿命期间提供高度可靠的性能，从而保障对汽车应用而言至关重要的安全性。

优化启动速度

OTA升级耗时是决定汽车启动速度的关键。正常情况下，驾驶员都希望在按下“启动”后的几秒钟内，汽车系统就能准备就绪——因而启动速度是汽车制造商极为重视的关键参数。但是，代码所占汽车内存的大小会影响启动速度及编程速度。以车载前置摄像头等ADAS产品为例，启动时，程序代码会从闪存下载到LPDDR4等DRAM内，而此类产品的代码需占据512Mb以上的内存。出于提升OTA流程速度的目的，汽车制造厂商被鼓励采用串行NAND闪存，以实现512Mb以上的大型代码的高速写入。

如图2所示，华邦QspiNAND闪存产品的性能与标准SPI NOR闪存的相近。两者的读取处理速度均为80MB/s，可以在1.5秒内下载ECU的1Gb程序代码，这样的表现可满足汽车应用的需求。但如果ECU内含2Gb的程序代码，则下载时间将增加到3秒，进一步延长了车辆的总启动时间。针对这部分需求，最新的NAND闪存技术或许是更合适的选择（请见图3）：华邦的OctalNAND闪存的每位单位成本优势比Octal NOR闪存更优，在写入处理速度上也具备优势。但得益于与DRAM类似的x8接口，OctalNAND提供更高的读取处理速度(240MB/s)。使用OctalNAND闪存下载整个2Gb程序代码只需要1秒，足以满足任何汽车制造商对于启动时间要求。

图3：华邦电子的OctalNAND闪存可在汽车应用中赋能快速启动。（图片出处：华邦）

W35N-JW OctalNAND零件采用符合行业标准的8mm x 6mm BGA封装，与串行NOR闪存产品在尺寸上兼容，而且与目前市场上的Xccela™闪存及Octal Flash NOR产品引脚完全兼容。

更具成本优势

总体而言，NOR闪存每存储位占用的芯片面积比NAND闪存的更大（串行NAND闪存单元的面积为4F²，NOR闪存为10F²）。芯片面积影响封装零件的成本，但非完全线性关系：当容量小于512Mb时，芯片上用于控制逻辑和接口面积比例较高，因此NAND每单位成本对总成本影响较小。但当容量大于512Mb时，存储数组会占据大量的芯片面积，因此，相较于相同容量的SPI NOR闪存，单元尺寸更小的NAND闪存更具成本优势。例如在汽车前置摄像头1-2Gb的程序代码的存储应用中，采用串行NAND闪存的成本是同等级SPI NOR闪存成本的一半。此外，最新的串行序列NAND闪存技术拥有更高写入处理速度，使其比SPI NOR闪存的优势更明显。

与同等级的SPI NOR闪存相比，使用QspiNAND闪存存储512Mb以上的汽车程序代码可省下约50%的成本。此外，汽车制造商现在还发现QspiNAND和OctalNAND能大幅缩短写入时间，这对优化OTA升级的体验甚为关键。

更重要的是，在向ECU写入大量程序代码时，QspiNAND更短的写入时间亦有助于提高工厂的效率和处理速度。这让汽车制造商可从另一个角度考量，在涉及安全和关键任务的应用中，舍弃传统SPI NOR闪存能为代码存储带来的好处。

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