嵌入式Flash去集成案例

发布时间: 2023-05-06 11:01:05 电子资讯发布人: 久芯网浏览量: 128

几十年来，无论行业如何，创新电子系统设计的主流策略都是将更多的功能和更大的内存容量集成到更少的芯片中。这导致了完整的片上系统（SoC）架构的兴起，使复杂的嵌入式系统能够围绕单个芯片进行设计。互补集成的制造工艺节点越来越紧，模具尺寸越来越小。...

几十年来，无论行业如何，创新电子系统设计的主流策略都是将更多的功能和更大的内存容量集成到更少的芯片中。这导致了完整的片上系统（SoC）架构的兴起，使复杂的嵌入式系统能够围绕单个芯片进行设计。互补集成的制造工艺节点越来越紧，模具尺寸越来越小。结果是更小的SoC能够以更低的成本获得更高的性能。

芯片级集成带来的功能增强导致了系统级功能和功能的整合。例如，在今天不断发展的自动驾驶汽车架构中，功能现在被整合到一个单一的汽车控制平台（VCP）中，而不是在分布式架构中包括几个不同的子系统。这些平台提供了更高的效率、控制和可靠性，以及优化的电源管理和整体减少的系统占地面积和重量。

通过提高集成SoC架构的计算能力，集中计算成为可能。而且，随着车辆变得越来越智能，它们需要车辆内更多的处理资源。事实上，汽车将需要更多的智能和数据存储，才能进入下一个自主水平。

捕获22nm

嵌入式NOR闪存使直接从闪存执行代码成为可能。为了实现功率和性能要求，像自动驾驶汽车这样的计算密集型应用需要在最小合理的工艺节点上制造SoC。然而，随着制造工艺节点缩减到22nm及以下，集成战略已经开始不足。具体来说，嵌入式NOR闪存在这些较小的节点上实现的成本已经高得令人望而却步。

因此，使用高性能SoC的系统需要嵌入式闪存的替代方案，即恢复使用外部存储设备。

去集成嵌入式Flash

为了使高度集成的SoC保持实时性能，外部闪存需要将对数据吞吐量、代码执行、可靠性和安全性的负面影响降至最低。令人惊讶的事实是，将Flash从芯片上移除也带来了显著的扩展和灵活性优势。

传统上，外部存储器总线比内部总线慢，因此脱离芯片需要一种增强的架构，以避免引入存储器吞吐量瓶颈。具体来说，这样的体系结构需要针对读取时间和系统启动进行优化。

快速的读取时间/吞吐量支持就地执行（XiP），其中代码直接从Flash运行。速度再慢一点，Flash就会成为处理瓶颈。随着自动驾驶汽车等系统不断整合越来越多的功能，这些整合系统的快速系统启动也变得更具挑战性。

认识到这一点，Infineon的研发团队正在评估旨在从外部内存提供内部内存读取性能的体系结构（见图1）。这些新设计通过利用优化的LPDDR4接口实现了足够的读取性能，该接口的极端带宽大于3200MBps。这种级别的性能提供的带宽是传统外部NOR闪存的10倍。结合小于20ns的快速初始读取延迟，这种高级闪存的速度足以支持从外部闪存执行代码。

图1:Infineon的研究和开发团队正在评估旨在从外部存储器提供内部存储器读取性能的体系结构。（图片：Infineon Technologies）

新内存通过利用代码只写一次（即存储代码）和多次读取（即执行代码）这一事实来实现这一级别的优化。考虑到XiP性能仅基于读取操作，优化的LPDDR4接口避免了总线写入初始化的延迟。

代码更新

NOR Flash在保持自动驾驶汽车等复杂系统的灵活性方面发挥着重要作用，即使在系统部署后也能进行远程更新。通过空中传送（OTA）更新支持，即使在车辆上路后也可以为其添加新功能。

提供一个在内存中具有多个不同存储体的闪存设备，使该体系结构能够支持读写（RWW）功能，在该功能中，系统可以加载新代码，而不必中断整个系统的运行（即零停机时间）。

可靠性和安全性

从本质上讲，汽车应用需要更高的可靠性，并且必须采用功能安全能力来防止设备损坏和人员受伤。所需的基本安全级别是“故障安全”，即发生故障时系统可以安全关闭。

然而，一辆以60英里/小时的速度行驶的汽车即使安全也不能出故障。该系统必须是“故障操作”的，这意味着用户仍然可以使用基本功能使系统处于安全状态（即制动以安全地使车辆减速）。在英飞凌，我们正在推动处理器和内存技术超越故障操作标准，实现“高可用性”，即系统旨在检测、识别和缓解潜在故障，并实现零停机。

可靠的内存对于确保这些更高级别的安全性至关重要。外部NOR闪存必须符合适当的安全标准（即ISO 26262）。它们还需要符合应用标准，如AEC-Q100汽车标准。

Flash在确保安全操作方面所扮演的角色之一是通过安全引导，即内存从电源事件中恢复到已知的良好状态，至少可以故障操作。

安全

有了执行OTA更新的能力，就需要以足够的安全性来保护代码和固件。理想情况下，数据在其所在的位置是安全的，而不是在处理器中。将代码存储在外部存储器中也引入了保护存储器接口的需要。

公司已经在解决将高级安全性集成到外部闪存设备中的问题。例如，Infineon SEMPER Secure实现了基于硬件的信任根，以确保系统从安全、已知的安全状态启动，并防止对外部存储器中的代码进行任何未经授权的访问或修改。

去集成的好处

Flash的去集成实际上为开发人员提供了更大的可扩展性和灵活性。当嵌入式闪存集成到SoC中时，闪存密度已经根据整个系统的性能要求以及可用的管芯面积进行了优化和平衡。如果没有足够的闪存，处理器将无法用于某些应用程序。或者，如果Flash太多，这会影响系统成本。嵌入式闪存密度会极大地限制处理器的选择，迫使开发人员从一个简短的选项列表中进行选择，但没有一个是理想的。

当闪存在SoC外部时，在为应用程序选择最佳SoC时，内存不再是一个限制因素。开发人员可以根据其性能和独立扩展闪存密度来选择一流的SoC。能够调整闪存的大小也减少了系统成本和占地面积。

内存密度的灵活性还有其他好处。生产线中的产品可以具有不同的处理和程序内存功能，以匹配生产线中不断增加的功能集。例如，ADAS系统需要不同数量的内存，具体取决于启用的功能。

混合动力和电动汽车的新动力总成架构需要可持续的解决方案，以提供最佳性能、功能安全合规性（ISO 26262）、电源管理、远程更新和自我诊断功能。该行业正在为汽车系统和其他高性能应用开发嵌入式闪存替代品。

在完成了将Flash集成到处理器中的所有工作之后，去集成Flash似乎违反了直觉。然而，几乎每个使用高性能处理器的行业都必须进行架构转型。对原始设备制造商来说，好消息是，将内存集成到处理器上的所有原因——更快的吞吐量、更低的功耗、增强的安全性、更高的可靠性、易于设计——现在都可以通过外部闪存实现。

Sandeep Krishnegowda - Infineon Technologies

Sandeep Krishnegowda公司是Flash业务部门的营销和应用高级总监英飞凌科技他在各种工程和管理职位上拥有超过15年的经验。他在伦斯勒理工学院获得电子理学硕士学位，在维斯瓦拉亚理工大学获得电子与通信理学学士学位。

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