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Bild 1: Ein typisches Speichersystem im Premiumlevel besteht entweder aus einer Kombination aus einem parallelen NOR- und NAND-Flash oder aus einer Kombination von SPI-Flash und NAND-Flash: Die initiale Grafik kommt beispielsweise vom schnellen NOR-Flash.
Bild 2: Mit einer Architektur, die NOR- und NAND-Flash kombiniert, erreicht man die erforderlichen schnellen Bootzeiten und erreicht gleichzeitig eine hohe Speicherdichte.
Bild 3: Ebenfalls denkbar ist ein direkter Datentransfer von zwei schnellen QSPI-DDR-RAM Speichern.

Nichtflüchtige Speicher-ICs

Mit der Entwicklung der Dashboards steigt auch der Bedarf nach höherer Speicherkapazität, schnellem Datendurchsatz und Zuverlässigkeit der Bausteine. Derzeit kann dies in der Regel durch die Kombination von NOR- und NAND-Flash abgedeckt werden. Für die Zukunft muss man über die Entwicklung und Implementierung neuer und noch schnellerer Speicher nachdenken, um beispielsweise Interfaces mit weniger Pins zu realisieren und um die Performance und die Speicherkapazitäten weiter zu erhöhen.

 

Wo früher im Auto Tacho und Drehzahlmesser waren, finden sich heute ganze Computersysteme mit Navigationsfunktion, Abstandswarnern, Tempomat und vielen anderen Funktionen. Mit diesem zunehmenden Angebot an Infotainment- und Vernetzungslösungen werden auch immer höhere Speicherkapazitäten und schnellere Performance notwendig. So wird zum Beispiel in Navigations- und Fahrerinformationssystemen ein hoher Datendurchsatz immer wichtiger, um Bilder und Zeichen schnell laden zu können. Da sich mit NAND-Flash relativ leicht und effizient größere Speicherdichten realisieren lassen, wird er für genau die Applikationen im Dashboard interessant, die sich nicht mehr allein mit NOR-Flash abdecken lassen. In diesen Systemen ermöglichen parallele und serielle NOR-Flash-Speicher schnelles und sicheres Booten, während NAND-Flash-Speicher die erforderlichen hohen Speicherkapazitäten für Applikationen und Daten liefern.

Flash-Anwendungen im Dashboard

In den verschiedenen Dashboard-Kategorien vom Einstiegs- über Mid-Range- bis hin zum Premiumlevel unterscheiden sich auch die Anforderungen an die verwendeten Speicher. Speziell für die oberen Klassen der Dashboards sind große Speicherkapazitäten und schnelle Performance für die Grafik und das Betriebssystem erforderlich. Generell besteht die Möglichkeit, externe zusätzliche Flash-Speicher einzubinden. Hier benötigen die Systeme je nach Anforderung Speicherkapazitäten zwischen 16 und 256 Mbit bis hin zu 4 Gbit. In Zukunft werden noch größere Speicher erforderlich sein.

Die Software-Architektur arbeitet mit Code-Shadowing, wobei der gesamte Inhalt vom Flash-Speicher in den schnellen DDRx-Speicher geladen wird – zum einen für die Codeausführung, aber auch, um die Bilder und Daten im Dashboard zu laden.

Da es derzeit keine wirkliche Alternative zu den schnellen und zuverlässigen NOR-Speichern gibt, setzen die meisten Designs noch zwei unterschiedliche Speicherarten ein, nämlich NOR und NAND. Die zu verwendende Speicherarchitektur wird durch die Art, Größe und Auflösung der Displays bestimmt. Im Mid-Range-Bereich mit Displaygrößen von beispielsweise 5 bis 8 Zoll kommen typischerweise Speicher mit Kapazitäten zwischen 32 und 64 MBit zum Einsatz, die einen Mindest-Datendurchsatz von zirka 40 MByte/s aufweisen. Bei Displays im Premiumsegment mit einer Größe von 8 bis 12 Zoll sind Speicherkapazitäten von 128 bis 256 Mbit für den NOR-Flash beziehungsweise 1, 2 und mehr Gbit beim NAND-Flash erforderlich – und zwar bei einem Datendurchsatz von 60 MByte/s.

Worauf ist beim Design zu achten?

Die Nutzer erwarten schnelles Booten, und das stellt eine zentrale Herausforderung bei der Entwicklung von Automotive-Dashboards dar. Konkret bedeutet das, dass die Anwendungen mit einer Geschwindigkeit von bis zu 10 bis 30 MByte in wenigen hundert Millisekunden hochfahren müssen. Für die High-End-Systeme haben Entwickler verschiedene Kombinationsmöglichkeiten aus NAND-Flash und unterschiedlichen NOR-Flash-Speicherarten für hohe Datenmengen. So könnten sie beispielsweise den NAND-Flash-Speicher entweder mit einem parallelen NOR-Flash oder einem schnellen Quad-SPI-Flash (QSPI) oder mit einem SPI-Flash mit DDR-Interface kombinieren.

In allen drei Varianten kommen die Daten innerhalb der ersten 100 ms aus dem NOR-Speicher. Erst danach erfolgt der Zugriff auf den NAND-Speicher. In der Praxis müssen die Entwickler einen Kompromiss zwischen schnellem und zuverlässigem Speicher sowie den Systemkosten finden.

Trends und Architekturüberlegungen für die Zukunft

In Zukunft werden Dashboard-Anwendungen noch bessere Features, Grafiken und Displays beinhalten, was größere Speicherdichten erfordert. Hier bewegt sich der Trend immer mehr in Richtung NAND-Flash für Daten, um große Speicherkapazitäten erreichen zu können sowie um Pins und Kosten zu sparen. Gerade die Kombination aus einem schnellen Quad-SPI-Flash-Speicher und einem großen NAND-Flash-Speicher könnte für High-End-Systeme, die einen hohen Datendurchsatz in Kombination mit große Speicherdichten benötigen, interessant sein. In Zukunft könnten hier auch Kombinationen aus NAND-Flash und SPI-Flash mit DDR-Interface oder mit neuen, schnellen und zuverlässigen Low-Pincount-Flash-Speichern zum Tragen kommen.

Ein Beispiel: Theoretisch erreicht ein paralleler NOR-Speicher von Spansion in 65-nm-Technologie einen Datendurchsatz von 98 MByte/s. In aktuellen praktischen Versuchen erreichten die Ingenieure bereits einen Datendurchsatz von 70 bis 80 MByte/s, wenn ein NOR-Flash-Speicher der GL-S-Familie von Spansion und ein iMX6-System von Freescale zum Einsatz kamen.

Ein in 65-nm-Technologie gefertigter QSPI-Flash-Speicher von Spansion, der mit 104 MHz getaktet wird, liefert einen Datendurchsatz von etwa 52 MByte/s, ein QSPI-DDR-RAM erreicht bis zu 80 MByte/s, während zwei QSPI-Flash-Speicher parallel dann die doppelte Datenrate (104 MByte/s beziehungsweise 160 MByte/s) erzielen. Ein SLC-NAND-Flash-Speicher von Spansion, der x 8 organisiert ist, liegt in diesem Fall in einem Bereich von rund 27 MByte/s. Daher wäre eine Architektur, die NOR- und NAND-Flash kombiniert, hinsichtlich der Performance in diesem Beispiel besser geeignet.

In Zukunft geht es darum, die Anzahl der Speicherbausteine zu verringern. Beispielsweise sind auch Architekturen denkbar, die nur NAND-Flash verwenden. Bei dieser Variante stehen Entwickler allerdings vor Herausforderungen, wenn es um den geforderten Datendurchsatz und die Zuverlässigkeit im Codebereich geht.

Wichtiges bei der Wahl der NAND-Speicher

NAND-Bausteine für Automotive-Anwendungen müssen hohen Qualitätsanforderungen standhalten. Es ist daher empfehlenswert, NAND-Speicher zu verwenden, die speziell für Embedded-Applikationen ausgelegt sind und deren Performance, Lebensdauer und Verfügbarkeit vom Hersteller über einen langen Zeitraum garantiert werden. Denn die Speicher sollten durchschnittlich zehn Jahre oder länger auf konsistentem Niveau arbeiten und hohen Temperaturen standhalten. Der Temperaturbereich der Speicherbausteine sollte mindestens zwischen -40 °C und +85 °C liegen. In manchen Automobilanwendungen liegt die Obergrenze sogar bei +125 °C. Generell eignen sich SLC-NAND-Speicher (Single-Level-Cell) besonders gut für diese Anwendungen.

Da der Datendurchsatz immer wichtiger wird, sollten die Entwickler auch auf die Lese- und Programmiergeschwindigkeit achten. Bei SLC-NAND-Speichern ist diese durchschnittlich höher als bei MLC-NAND-Speichern (Multi-Level-Cell). Um die Arbeit der Entwickler zu vereinfachen, sollten die verwendeten Bausteine den Error-Correction-Code (ECC) über die Lebenszeit beibehalten. Dadurch müssen die Entwickler ihre Plattformen nicht ändern und keine neue Software oder Chipsets qualifizieren.

Ein wichtiges Thema ist die Langzeitverfügbarkeit der Bauteile, da sich das Design von Dashboard-Plattformen nicht so oft ändert, wie bei Standard-Plattformen. Gerade bei NAND-Flash-Speichern sollte man bereits beim Design darauf achten, dass die Bausteine mindestens fünf Jahre oder länger lieferbar sind. Hier ist es wichtig, die richtigen Hersteller zu wählen, denn viele Hersteller von NAND-Flash migrieren relativ schnell von einer Prozesstechnologie zur nächsten. Im schlechtesten Fall bedeutet das, dass die Teile nicht mehr verfügbar sind, und ein neues Design erstellt werden muss. Es gibt aber auch Hersteller, die sich auf den Langzeit-Bedarf im Automobil-Bereich einstellen. Spansion hält beispielsweise seine NAND-Bausteine mittlerweile in drei verschiedene Prozesstechnologien gleichzeitig vor, um seinen Kunden die Wahl zu lassen, wie schnell sie mit ihren Designs zur nächst kleineren Prozesstechnologie migrieren wollen.