车规级DRAM大踏步迈入LPDDR5时代

今年3月，Micron(美光科技)宣布开始出样业内首款车用低功耗DDR5 DRAM (LPDDR5)内存。该款内存经过硬件评估，具备高性能、低功耗和低延迟特性，完全满足最高级别的汽车安全完整性等级(ASIL)标准，即ASIL D，可用于高级驾驶辅助系统(ADAS)技术，包括自适应巡航控制系统、自动紧急刹车系统、车道偏离警告系统以及盲区侦测系统。
国际标准中的汽车"功能安全"ASIL是汽车安全完整性等级(Automotive Safety Integrity Level)标准的简称，是ISO 26262标准为道路车辆功能安全定义的风险分类系统，共分为A/B/C/D四个等级。其中，ASIL A系统的安全等级最低，ASIL D的安全等级最高，也最严格。显而易见，较高的ASIL等级通常意味着成本和复杂度的增加，因此给定系统所需的ASIL等级与系统故障对车辆运行的影响直接相关。
ASILPMHF（FIT）LFMSPFMA — — —B< 100≥ 60%≥ 90%C< 100≥ 80%≥ 97%D< 10≥ 90%≥ 99% 不同ASIL等级的故障度量
在ISO 26262中，功能安全被定义为"消除因电气/电子系统故障行为带来的不合理的风险"，而这里所指的"电气/电子系统故障"，又被分为两种类型：

系统性故障：是指以确定性方式发生的故障，通常会在产品设计或开发过程中产生。一般采用有据可查的过程和方法来处理这些故障，包括安全规划、安全概念文件、需求可追溯性、主动安全分析工具、可靠性验证、操作程序以及其他相关因素。

随机故障：是指在设备生命周期内随机出现的故障。随机故障可进一步分为两类：瞬态故障(单事件干扰或软错误)和永久性故障(硬错误，如卡在逻辑级上) 。一般通过引入安全机制来解决这类故障，这些机制有助于发现这些故障，使系统能够采取适当的措施，包括纠正故障或者让系统保持在安全状态上。

通常情况下，业界在硬件级和系统级采取的安全机制包括以下五类：

冗余：这种机制通常可以在硬件级实现。

循环冗余校验：这种机制通常用于检测错误。

纠错码：这种机制一般用于纠错，取决于实际码型，还可以检错。

内置自检：该机制提供额外的电路，可以连续或者在上电期间检验设备是否正确运行。

循环测试模式：指每一故障检测时间间隔(FDTI)内重复运行的测试模式，以便及时检测出某些故障。

此外，衡量用于检测随机故障时间(FIT)和风险发生可能性的安全机制的有效性，通常利用单点故障度量(SPFM)、潜在故障度量(LFM)和随机硬件故障概率度量(PMHF)等各种度量指标。这些指标用于衡量给定硬件组件的功能安全性。
不过，遗憾的是，到目前为止，车用DRAM解决方案还没有按照功能安全以及ISO26262标准要求进行专门的设计和/或严格的评估，以至于Exida首席运营官兼首席安全专家Alexander Griessing表示，"功能安全是先进汽车系统开发过程中至关重要的一环，但内存在某种程度上受到了忽视，只被当作一种即买即用的商品。"
汽车需求与DRAM性能根据Gartner预测，汽车内存的市场规模将在2020年24亿美元的基础上翻番，成长至2024年的63亿美元。与此同时，伴随数据密集型汽车技术的崛起，真正实现自动驾驶的汽车，预计平均每天会产生20TB的数据。即便是如今配备ADAS的车辆，也要运行超过1亿行代码，每秒需进行高达数百万亿次的数据处理，可匹敌数据中心。
"大多数人可能会认为自动驾驶汽车才是真正的智能汽车，但基于已部署的技术以及未来还将引入的更多技术，如今的汽车其实也可以称之为是智能的。"美光科技汽车系统架构高级总监Robert Bielby日前在接受《电子工程专辑》专访时表示，自动驾驶汽车，甚至是普通的具备ADAS功能的汽车，都正在变成车轮上的数据中心，直接推动了对更多DRAM的需求。

文章插图
美光科技汽车系统架构高级总监Robert Bielby
他举例称，车道保持等安全功能可检测道路上的车道线，使汽车自动保持在车道中间，而不会漂移到相邻车道上去；智能前大灯检测对面的车辆，并智能调暗前大灯，以避免干扰对面的车辆行驶；即将出台的NCAP要求，进一步推动了对驾驶员监测系统、C-V2X(蜂窝车联网)以及盲区侦测、自动紧急刹车等其他更成熟技术的支持，未来有望进一步提升驾驶员和乘客的安全。
如果再加上人工智能(如手势识别、自然语言处理、计算机视觉和机器学习)，以及车载信息娱乐、高清显示屏、自适应巡航控制、语音助手和其他数字化座舱功能，汽车需要在瞬间整合并分析这些数据，对内存和计算的需求呈指数级增长并不令人感到意外。
而只有通过在车辆中引入各种电子设备，才能实现所有这些功能；只有激光雷达与摄像头、雷达传感器以及相关人工智能处理功能的融合，才能让车辆能够"看到"周围的环境。可以说，这些技术都是基于最先进的电子技术，都需要DRAM 。
一定要用LPDDR5吗？车用DRAM相关应用目前分为四大领域，包含车载信息娱乐系统(Infotainment)、先进驾驶辅助系统(ADAS)、车载信息系统(Telematics)和数字仪表盘(D-cluster) 。TrendForce集邦咨询数据显示，至2024年，车载信息娱乐系统仍然是车用DRAM消耗的主要应用领域，DRAM会从DDR3 2/4Gb慢慢向LPDDR4 8Gb靠拢。
从ADAS系统来看，由于目前自动驾驶普遍以Level 1/2/2+为主，因此DRAM用量仍然偏低。随着自驾等级的提升，将有望带动DRAM从DDR3向LPDDR4/4X，再向LPDDR5、甚至GDDR6/HBM演进。同时，随着车对车互连与通讯(V2V)和车联网(V2X)功能的引入，车载信息系统中使用的DRAM规格也将由以往的LPDDR2逐步转向LPDDR4/LPDDR5 。
Robert Bielby认为这些评估报告准确描述了汽车ECU中DRAM的现状。"的确如此，3级及以上自动驾驶、机器人出租车和移动即服务对于高带宽、低功耗DRAM(如LPDDR5)的需求出现了强劲的增长。"
【车规级DRAM大踏步迈入LPDDR5时代】根据他的描述，与上一代LPDDR4x相比，LPDDR5 DRAM的数据访问速度提高了50%，能效提高了20%以上，满足了数据密集型需求，使智能车辆具备了近乎实时的边缘处理能力。而这种低延迟对于快速处理来自当今互联汽车多个传感器和数据源的数据至关重要，例如雷达、激光雷达、高分辨率成像、车内联网、5G网络和光学图像识别等。
大幅降低能耗是另一个重要的考量因素。事实上，当今的豪华汽车需要运行1亿多行代码，超过了Facebook、Windows、Google Chrome、波音787、航天飞机和哈勃太空望远镜的代码数，不久的将来，还可能会增加到2-3亿行代码。要实现L4级到L5级的自动驾驶功能，每秒需要进行六百多万亿次的运算，这与数据中心和服务器的计算性能不相上下。所有这些计算都需要巨大的能量，从1000瓦到2500瓦不等，足以点亮40个60瓦的白炽灯泡。
如此高的能耗确实降低了续航里程，因为所有的能耗都用在了汽车计算机上，而不是电动机或者发动机。为保证续航里程，汽车原始设备制造商和供应商需要使用低功耗、节能的内存，LPDDR5出色的能效将有助于提升续航里程，降低排放，实现更为环保的交通出行，推动自动驾驶的未来更加可持续发展。
通过功能安全评估的独特DRAM由于汽车中的电子元件已成为保障安全不可或缺的组成部分，汽车制造商必须满足严格的功能安全标准，这些标准要求具备故障发生时能够缓解风险的机制。符合功能安全标准的LPDDR5和产品文档简化了系统设计，可帮助客户更快地履行复杂的合规义务，并最终缩短一级汽车供应商的产品面市时间，并帮助原始设备制造商尽快设计安全、智能的汽车。这一点在竞争激烈的汽车市场中十分关键。
在这一前提下，美光不但使其LPDDR5产品符合ASIL D标准要求，还为LPDDR5产品添加了一组可帮助客户检测现场随机硬件故障安全功能，以及一套全面的安全相关文档，包括硬件评估报告、exida评估报告、安全应用说明、安全分析报告(FMEDA摘要)和签署NDA后的PIN FMEA 。
"我们在全球范围内与汽车原始设备制造商、一级供应商和芯片组供应商有着密切的合作伙伴关系，涉及高级辅助驾驶系统、车载信息娱乐、汽车座舱计算、下一代机器学习汽车应用、人工智能相关技术等多个领域。"Robert Bielby说，与合作伙伴的密切合作和信任是在汽车市场取得成功的一个重要因素，这种合作通常从产品的系统架构定义阶段的早期开始，一直延伸到客户/合作伙伴产品的设计、测试和部署阶段。只有这样，才能够确保客户和合作伙伴能够以最短的上市时间和最低的设计风险，交付同类最佳的产品。