汽车行业的进步不断提升着车辆的安全性、效率和可靠性。随着汽车技术日益先进，作为其核心功能基础的芯片也在同步演进。例如，数据记录系统的需求和普及度正显著提高。
特别是由于近期全球范围内的相关立法，事件数据记录器(EDR)和自动驾驶数据存储系统(DSSAD)备受关注。虽然这两个系统都旨在安全可靠地存储驾驶数据，但它们之间仍存在关键区别(表1)。
表1：EDR和DSSAD数据记录器的对比。(来源：英飞凌)
随着汽车数据记录法规的不断演进，用于存储这些数据的相关内存规格也在随之变化。例如在美国，这些存储要求最近进行了修订，将“EDR记录的碰撞前定时数据时长从5s(频率2Hz)延长至20s(频率10Hz)”。这些规定将于2027年9月1日起对大多数制造商生效，改装车辆和小批量生产线除外。
此类法规并非美国独有，而是在全球范围内普遍存在。近期，联合国欧洲经济委员会(UNECE)致力于通过关键法规，在其成员国之间统一汽车数据记录要求。这些法规为乘用车和重型车辆的EDR，以及与自动车道保持系统(ALKS)相关的DSSAD提供了指导方针。随着这些法规的不断完善和被成员国采纳，汽车行业对硬件存储系统的需求变得至关重要。
数据存储要求
美国国家公路交通安全管理局(NHTSA)对现有的事件数据记录(EDR)解决方案进行了深入分析，将其描述为“使用大小相当于一条EDR记录的随机存取内存(RAM)缓冲区，在数据写入内存之前进行本地暂存。数据通常存储在电可擦可编程只读内存(EEPROM)或数据闪存中”。
该文档还概述了有关需求变更的担忧和行业反馈。反馈指出，“虽然EDR可以记录建议的20s碰撞前数据，但某些EDR可能需要进行重大的硬件和软件更改才能满足这些要求”。
另一方面，数据安全与安全数据记录(DSSAD)要求存储设定时间段内的所有事件。虽然前面提到的NHTSA文档仅适用于EDR，但类似的解决方案可以通过在将传入信号传输到非易失性内存进行长期存储之前对其进行缓冲来满足这些要求。
鉴于不断增长的需求给现有系统带来了压力，寻求优化的解决方案变得至关重要。综合来看，理想的系统必须具备断电鲁棒性，能够保证缓冲数据的可靠性，并提供足够的空间用于长期存储。本文将探讨如何结合使用铁电随机存取内存(F-RAM)和NOR闪存来应对现代数据记录的挑战。
闪存-F-RAM组合
F-RAM将信息存储在铁电电容器中。这种材料内部的偶极子会根据施加电荷的方向排列，并在断电后保持其方向。这种内存的特点是写入速度快、耐久性高(约1014次循环)。
这些特性使F-RAM相对于其他非易失性存储技术具有独特优势。然而，F-RAM的存储密度较低，范围从几千比特到几十兆比特不等，限制了其在高密度应用中的使用。
NOR闪存是另一种内存，它利用MOSFET在晶体管栅极的非金属区域内存储电荷。这种内存的操作通常比F-RAM更复杂——例如需要擦除操作——但可能提供密码保护或一次性可编程安全芯片区等附加功能。NOR闪存支持小粒度随机读取，但写入操作需要大粒度访问。
要“写入”器件，必须同时擦除多个比特，然后再进行编程。因此，与F-RAM相比，其操作时序通常较慢，且耐久性相对较低(约106次循环)。然而，NOR闪存的优势在于更大的存储容量，可达数千兆比特。
本文将展示“F-RAM+NOR闪存”与“RAM+NOR闪存”在EDR和DSSAD解决方案方面的比较。在本分析中，数据被持续记录在前端器件的环形缓冲区中。在EDR事件触发或DSSAD缓冲区已满的情况下，信息被传输到后端器件，并存储在后端器件的长期内存中(图1)。
图1：日志记录操作的前端和后端存储架构框图。(来源：英飞凌)
为了评估性能，表2采用了EDR和DSSAD的要求进行比较。EDR和DSSAD的这些规范分别基于联合国重型车辆法规和ALKS DSSAD要求。为了探讨这些系统的工作原理，有必要回顾这些文件中的规范，并重点说明比较中所做的假设。
表2：EDR和DSSAD在多种技术条件下的性能比较。(来源：英飞凌)
对于使用EDR的日志系统，数据元素需要持续记录，并且仅在发生事件(例如车祸)时才传输到长期存储器件。前端器件中的环形缓冲区可以有效地实现这一点。为了确定该缓冲区的大小，需要结合预期的EDR数据速率和存储时间要求。
根据相关法规，计算中使用了必要的参数。相关的时间间隔(通常为碰撞前20s数据，碰撞后10s数据)和日志记录频率(4Hz、10Hz或单次记录)也用于计算。一个重要的假设是EDR数据包大小固定为12B。
联合国欧洲经济委员会(UNECE)的文件没有要求使用固定的字节数进行存储，也没有要求存储参数数据之外的任何信息。此比较假设除了估计的3B参数数据和1B参数标识之外，还将包含一个8B的元数据时间戳。根据之前的计算和假设，预期缓冲区大小为790Kb。
在事件发生的情况下，整个缓冲区将被传输到后端存储。要求“EDR非易失性内存缓冲区应能容纳至少五个不同事件的相关数据”。因此，分配了相当于五个事件的存储空间，使得后端EDR缓冲区大小为3.95Mb。
另一方面，DSSAD要求存储所有数据元素，而不是事件窗口内固定数量的数据。因此，前端可以使用相对较小的缓冲区，并在填满后将其迁移到后端器件。假设缓冲区必须足够大，以便在扇区擦除进行时存储所有事件，并且必须在将数据传输到NOR闪存之前完成扇区擦除。
在本分析中，假设DSSAD的最大速率为10个事件/秒。此外，每个数据包的大小估计为固定的25B。这包括法规要求的日期和时间戳(估计为8B)以及参数数据(估计为1B)，以及法规未要求但作为元数据包含在本次分析中的GPS坐标(估计为16B)。由此得出前端DSSAD缓冲区大小为5.3Kb。
同时，对于后端器件，假设DSSAD数据存储6个月。后端缓冲区的大小由平均预期DSSAD速率乘以6个月周期确定。使用估计的DSSAD速率4个事件/分钟和固定的25B数据包大小，计算得出后端缓冲区大小为210Mb。
内存耐久性特性
表2中各器件所需的存储密度由缓冲区大小之和决定。本分析采用英飞凌的SEMPER NOR闪存和EXCELON F-RAM器件来验证F-RAM和NOR闪存的耐久性特性。前端SRAM器件的耐久性被假定为无限，但由于其属于易失性内存，断电期间数据包会丢失。
该对比模型旨在找到满足20年预期寿命耐久性要求的最小存储密度。对比结果如表2所示。
如表所示，F-RAM+NOR闪存解决方案的关键优势在于断电情况下的稳定性。最坏的情况是，在不使用备用电池的情况下，易失性RAM中缓存的信息会在碰撞事故中导致重要车辆数据丢失。
在这种情况下，如果在事件开始时需要进行擦除，则系统可能会丢失崩溃前20s的所有数据，以及在256MB SEMPER NOR器件上执行擦除操作所需的2.68s时间(如果在擦除完成时断电)。相应的数据丢失量是基于此时间段内假定的EDR和DSSAD数据速率计算的。
尽管环形缓冲区循环频率很高，EXCELON F-RAM仍然能够满足耐久性要求，并与RAM+SEMPER NOR闪存解决方案的预期寿命相匹配。
至于其他潜在的前端解决方案，需要注意的是，使用其他非易失性技术(例如EEPROM或RRAM)作为前端可能需要更高的密度要求，因为与F-RAM相比，它们的耐久性较低。此外，EXCELON F-RAM的快速写入速度为断电前瞬间发送到前端器件的数据包提供了可靠的存储保障。
为什么数据记录中内存至关重要
鉴于EDR和DSSAD的发展及其相关的法律影响，可靠的数据存储至关重要，并因此体现在立法要求中。例如，要求“采取充分措施防止篡改，例如采用防篡改设计来防止存储数据被擦除”。虽然有多种方法可以保护系统上的日志数据，但一种简单而可靠的方法是使用硬件。
自动驾驶的未来取决于日志记录在法律记录、安全保障和尖端功能方面的应用。随着系统变得越来越复杂，存储技术的性能经常面临挑战，需要创造性的解决方案来满足这些需求。
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