用戶舒适度、安全性和ADAS（駕駛輔助）等功能不斷增加車輛中電子控制單元 (ECU) 的數量。然而，ECU 的持續擴展給汽車制造商帶來了更多挑戰。因此，全球大多數汽車制造商正在從傳統的分布式 ECU 架構過渡到基于域（domain）或區域（zone）的 ECU 架構。

基于域的架構旨在為一個完整的域集成高級控制（圖 1-a）。特别是在混合動力和電動汽車（HEV 和 EV）中，所有功能都緊密交互，分布式架構難以管理系統的複雜性和實時性。例如，電動汽車刹車時的操作不單是控制刹車，還要捕獲能量為電池充電。

圖 1-a 基于域的架構旨在集成更高級别的控制。資料來源：意法半導體

圖 1-b 基于區域的架構将多個 ECU 整合到單個 MCU 上。資料來源：意法半導體

基于區域的架構則将來自多個域的多個 ECU 整合到單個 MCU 上，并減少了整個車輛的線束（圖 1-b）。有兩個主要因素促使 OEM 減少其車輛中的線束：每增加一個線束都會增加車輛的重量和複雜性。其中重量是關鍵，因為它會減少汽車續航裡程。基于區域的架構在消除一些線束方面具有主要優勢，尤其是在車身領域。但這并不是全部：車輛可以為不同的域使用不同的架構，以靈活充分利用域架構和區域架構。

基于區域和基于域的體系結構都支持硬件和軟件生命周期的松耦合。兩者都允許制造商在不更改組件的情況下更新和升級車輛軟件。這些新架構還提供軟件定義的車輛，可以在最短的時間内推出新的功能和車輛。

架構轉換對于内存需求變化

首先，與傳統分布式架構中使用的 MCU 相比，域和區域架構需要提供更高計算能力的 MCU。當今的域架構需要以高達 400 MHz 的時鐘速度運行的多核實時 MCU。事實上，這些架構的某些MCU 具有多達 6 個 Arm Cortex-R52 内核，其中多達 4 個内核以鎖步配置運行，以執行實時錯誤檢查，因此總共最多可能擁有 10 個 Arm 核心。

盡管 MCU 内核和工作頻率是系統架構師常用的參考規格，但嵌入式/闆載非易失性存儲器 (NVM) 也對整體系統性能和成本産生重大影響。盡管如此，内存規格是最容易被忽視的。例如，兩個具有相同内核和工作頻率的 MCU 在計算和功率性能以及可靠性方面可能會因其使用的内存類型及其速度而存在顯着差異。内存類型和内存速度也有助于 MCU 的固件升級能力、成本及功耗。

新架構的嵌入式非易失性存儲器限制

通常，在計算系統中，非易失性存儲器用于存儲代碼和數據。大多數通用 MCU 為此使用嵌入式閃存。而這種嵌入式閃存通常是浮栅或某種電荷阱 NOR 閃存。這些嵌入式 NVM 中的大多數都非常慢，支持的最大頻率甚至低于20 MHz。

對于 400-MHz 系統中的 25-MHz NVM，内存需要大約 15 個等待狀态。因此，即使 CPU 以 400 MHz 運行，在 CPU 執行指令之前，需要 15 個周期才能從内存中獲取指令。MCU 使用緩存來最大程度地減少這些等待狀态，但頻繁的緩存未命中會對整體計算性能産生重大影響。

随着時間的推移，創新提高了嵌入式 NOR 閃存速度。不幸的是，閃存技術難以擴展到更小的技術節點。目前大多數NOR采用40 nm制程，少數采用28 nm，且難以将這些存儲單元集成到非常複雜的高k金屬栅極技術中。

目前大多數基于區域控制的 MCU 是在 28 nm節點開發，以最大限度地提高集成度并允許支持超大型應用程序所需的更大容量存儲器。這些在區域和域架構中可以是 20 MB 或更大。但無線 (OTA) 固件升級（更多關于本系列文章第二部分中的 OTA 固件升級）需要這些 MCU 提供至少 40 MB 的嵌入式NVM才能支持此功能。

這就是為什麼對于大多數可用的嵌入式閃存技術而言，這種内存容量在 28 nm 時可能并不實用。此外，其他一些可擴展的嵌入式 NVM 技術無法滿足汽車應用所需的高溫條件。因此，一些區域控制 MCU 要麼沒有嵌入式 NVM，要麼作為雙芯片系統級封裝 (SIP)。這些 MCU 通常具有較大的 RAM 并導入至 RAM 中執行代碼。

盡管此解決方案提供的計算性能比嵌入式閃存稍好，但執行基于區域和域的應用程序存在一些缺點。

第一個缺點是 MCU 在啟動時加載 RAM 的内容需要較長的啟動時間。盡管信息娛樂系統在車輛啟動時需要一點時間來啟動是可以忍受的，但啟動時間延長對于管理車門控制、轉向控制、照明和其他關鍵功能的域和區域架構來說是一個主要問題；用戶希望這些立即可用。 RAM 的另一個缺點是它比 NVM 消耗更多的功率。

此外，在低功耗模式下，保留RAM需要不斷為内存刷新供電。當 RAM 中的數據不需要并且可以斷電時，在從低功耗模式轉換到活動模式時重新加載數據會以較長的轉換時間為代價，這在某些應用程序中可能是不可接受的。如果應用程序頻繁轉換到活動模式，則重新加載 RAM 的功耗預算非常重要，并且可能會破壞低功耗模式的目的。

另一個考慮因素是系統成本。 RAM 是相對需要面積的 IP。因此，将大 RAM 放入 MCU 以運行應用程序代碼将比嵌入式 NVM 更昂貴。然後，無論外部 NVM 是作為 SIP 集成在封裝本身中還是安裝在闆卡上，都會增加成本，使系統成本更高。其他缺點包括系統和供應鍊的可靠性。

在系統中，與 NVM 相比，RAM 具有更高的位翻轉率——通常是由于輻射，通常稱為軟錯誤率 (SER)。這會影響系統的可靠性。為了支持最高級别的可靠性，用于汽車應用的最新 MCU 支持端到端糾錯碼 (ECC)。外部 NVM 不支持端到端 ECC，這會導緻可靠性降低，并且需要針對安全關鍵型 ECU 使用額外的緩解技術。

同時，與程序存儲器相比，數據存儲器需要更高的耐用性。這種更高的耐力要求也帶來了挑戰。例如，在浮栅 NOR 單元中，隧道氧化物将浮栅與溝道隔開（圖 2）。

圖 2 隧道氧化物将浮栅與浮栅 NOR 單元中的溝道隔開。資料來源：意法半導體

随着每個寫入和擦除周期，這種氧化物會退化并且洩漏會增加，從而閃存老化，不适合作為數據存儲器。将該技術擴展到更小的節點會加劇這個問題。如果不縮放隧道厚度，則有其自身的副作用，因為嵌入在較小技術節點中的大内存塊仍然需要更長的時間來讀取、寫入和擦除。

嵌入式閃存也需要較長的寫入時間，部分原因是因為需要在寫入操作之前必須進行擦除操作。所有這些因素都會對系統性能産生不利影響，尤其是當 CPU 可以以高頻率運行，内存讀寫等待變成了瓶頸。

PCM 在區域和域架構中的優點

Stellar SR6 器件中提供的嵌入式相變存儲器 (ePCM) 可滿足區域和域 MCU 的性能要求。圖 3 顯示了采用FD-SOI技術的 ePCM 單元橫截面圖。

圖 3 PCM單元。資料來源：意法半導體

影響當前一代區域 MCU 以及整個技術和成本路線圖的一個關鍵點是，在汽車應用中，ePCM 存儲元件的集成比 28 nm 嵌入式閃存技術便宜得多。此外，ePCM 的集成完全不會幹擾複雜的高 k 金屬栅晶體管結構。

最後，與嵌入式閃存不同，ePCM 中的寫入操作不需要高電壓。因此，ePCM 可以與标準晶體管一起工作，而閃存需要專用的高壓晶體管來管理可能為 10 V 或更高的寫入電壓。所有這些因素都會影響可制造性和成本。

與 NOR 或 NAND 閃存不同，PCM 的工作原理是基于鍺銻碲 (GST) 合金的電阻率變化。這種合金根據快速的溫度變化改變電阻率，而電阻率決定了存儲器的狀态。圖 4 顯示了如何在 PCM 中設置或重置。

圖 4 PCM 寫入過程顯示了如何設置或重置位。資料來源：意法半導體

因此，與嵌入式 NOR 閃存相比，ePCM 提供了快速的讀取和寫入。寫入時間顯着減少是因為 ePCM 在寫入之前不需要擦除操作。此功能還大大縮短了工廠編程時間，從而降低了制造成本。

此外，ePCM 還提供與嵌入式閃存相媲美的可靠性和耐用性優勢。同時，ePCM 允許模拟真正的 EEPROM 的單比特可更改性，這進一步顯着減少了系統寫入時間。此外，由于它隻對目标位進行操作，因此單位寫入不會影響相鄰存儲單元的壽命。因此，即使具有與嵌入式閃存相當的耐久性水平，PCM 也有效地允許對數據 NVM 中的模拟EEPROM 進行更多的寫入。

eNVM各種技術中，為什麼說PCM是最适合車載應用的？-電子工程世界

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