[AutoSAR存储] 车载存储层次 和 常用存储芯片概述

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专栏 《AutoSAR存储》

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1 存储系统层次

先抛个问题， 为什么要划分存储器的层次？

速度越快，但成本越高，从经济的角度规划的存储空间越小。因此，必须采取逐级缓存的策略，将更重要的数据保存在速度更快的存储中，而离CPU核心越远的存储则更大。因为有分层，也就有不同的存储芯片。

存储层次是在计算机体系结构下存储系统层次结构的排列顺序。 每一层于下一层相比 都拥有 较高的速度 和 较低延迟性 ，以及 较小的容量 （也有少量例外，如AMD早期的Duron CPU）。大部分现今的中央处理器的速度都非常的快。大部分程序工作量需要存储器存取。由于高速缓存的效率和存储器传输位于层次结构中的不同等级，所以实际上会限制处理的速度，导致中央处理器花费大量的时间等待存储器I/O完成工作。

大部分汽车、电脑、芯片中的存储层次如下四层：

寄存器 ：可能是最快的存取。在32位处理器，每个寄存器就是32位。x86处理器共有16个寄存器。
高速缓存 Cache （L1-L3：SRAM、L4：DRAM）

• 第一级高速缓存（L1）–通常存取只需要几个周期，通常是几十个KB。
• 第二级高速缓存（L2）–比L1约有2到10倍较高延迟性，通常是几百个KB或更多。
• 第三级高速缓存（L3）–比L2更高的延迟性，通常有数MB之大。
• 第四级高速缓存（L4）（不一定有）–CPU外部的DRAM，但速度较主存高。

主存（DRAM） ： 存取需要几百个周期，可以大到数十GB。
磁盘存储 ：Flash 闪存， 或是磁盘，需要成千上万个周期，容量非常大。

存储器有许多类型，可以根据其用途分为主存储器和辅助存储器。主存储器，也称为内存，以其快速的存取速度而著称，但其容量相对较小，价格也相对较高。辅助存储器，也称为外存储器，容量较大，价格较低，但存取速度较慢。主存储器存储立即要使用的程序和数据，而外存储器存储暂时不需要的程序和数据。两者之间经常进行信息交换。

2 常用存储器分类

存储 IC 在汽车市场中广泛应用，DRAM 和 NAND FLASH 占据存储市场绝大部分 份额。存储芯片按照其断电后是否可持续保存数据可分为易失性和非易失性两种， 其中易失性存储芯片可分为 DRAM 和 SRAM，非易失性存储芯片可分为 NAND FLASH 和 NOR FLASH，目前存储市场以 DRAM 和 NAND FLASH 为主。

（1） 易失性存储芯片：SRAM和DRAM是目前存储市场主流的两种类型。DRAM容量大、价格低、可扩展性强等特点，更适用于对存储容量要求较高、对读写速度要求不高的场合。而在移动端，LPDDR（(Low Power Double Data Rate SDRAM)）则更加受欢迎，由于其低功耗小体积等特点。

（2） 非易失性存储芯片：NOR闪存具有高效的读取速度，可以在芯片内直接执行应用程序，因此广泛应用于一些需要高速读取的场合，如系统启动、设备固件等。但在小容量存储器的应用场景下，NOR的性价比相比NAND并不优势。

而NAND闪存因其高存储容量、改写速度优秀、价格相对NOR更为实惠，因此在存储市场中占据了较大的份额，目前占据了42%的市场份额，成为了NOR的有力竞争者。

随着技术不断发展，闪存的存储容量也在不断提升。目前，市场上大多数闪存采用的是“2D NAND”技术，即制程在16nm及以上的平面闪存芯片。为了进一步提高存储密度，降低单位存储成本，2D NAND芯片的制程正在不断地缩小至15/16nm。

除此之外，为了进一步提升存储密度，行业内还采用了3D堆叠技术。3D NAND通过增加单位面积内的晶体管数量，可以进一步提高存储密度，同时还可以降低读取延迟和功耗。目前市场上的“3D NAND”芯片正在逐渐成为新兴的市场趋势。

存储器在新的电子电气结构中各个系统的中的分布图如下：

存储芯片在汽车上的应用

2.1 ROM

由于历史原因，虽然有的类型可以读也可以写，但是它们整体上被称为只读存储器（Read-Only Memory, ROM）。

PROM：Programmable ROM，可编程ROM，但只能被编程一次。每个存储器单元有一个熔丝（fuse）,只能用高电流熔断一次。

EPROM：Erasable Programmable ROM，可擦写可编程ROM, 被擦除和重编程的次数可达1000次。EPROM有一个透明的石英窗口，允许光到达存储单元，紫外线照射过窗口，EPROM单元就被清0；对EPROM编程是通过使用一种把1写入EPROM的特殊设备完成。

EEPROM：Electrically Erasable PROM，电子可擦除PROM，它不需要物理上的一个独立编程设备，可以直接在电路板上编程。被编程次数可达10^5次。

2.2 SRAM

SRAM是静态随机存取存储器(Static Random Access Memory)的缩写，是一种高速缓存存储器，用来作为高速缓存存储器（cache）,可以在CPU芯片上，也可以在片外。SRAM具有读写速度快，但价格贵，容量小。

SRAM 每一位都存储在一个双稳态的存储器单元里，每个单元是用6个晶体管来实现的。只要有电，这样一个电路可以无限期地保持在两个不同的电压配置或者状态之一。即使有干扰，当干扰消除后，电路就会恢复到稳定值。

技术替代趋势上，MRAM较有可能替代SRAM，因其持久性优势。
MRAM是磁性随机存取存储器(Magnetic Random Access Memory)的缩写，它具有非挥发性、快速读写、低功耗、无需刷新等特点。由于MRAM的持久性优势，未来有望替代SRAM成为高速缓存存储器。

2.3 DRAM

DRAM是动态随机存取存储器(Dynamic Random Access Memory)的缩写，是一种集成度高、容量大、价格便宜的存储器。DRAM具有容量大、价格低，但读写速度慢、需要刷新等缺点。

DRAM内存的每一位存储都依赖于一个微小电容的充电状态，通常这个电容只有约30毫皮法的大小。尽管DRAM的电容很小，但仍然会有漏电的情况发生，导致内存在10~100毫秒的时间内失去电荷。幸好CPU的时钟周期通常是在纳秒级别，所以相对而言DRAM内存的电压仍然相对稳定。为了让DRAM内存的每一位保持充电状态，内存系统必须定期读取并重写内存中的每一位置，这也就是“动态”这个词汇的来源。

DDR系列有望成为DRAM主流品类。 DDR(双倍数据率) SDRAM是一种高速动态随机存取存储器。它具有高速传输、高带宽、低功耗、价格低等特点，由于其更高的传输速率和数据预读取的位宽增加等优势，有望成为DRAM的主流品类。

LPDDR(Low Power Double Data Rate SDRAM)是低功耗双倍数据率同步动态随机存取存储器。它具有低功耗、小体积、高性能等特点，更适用于移动端应用领域。

2.4 MRAM

MRAM是一种非易失性的磁性随机存储器。它拥有SRAM的高速读取写入能力，以及DRAM的高集成度，而且基本上可以无限次地重复写入。

MRAM是汽车应用的理想选择存储芯片,MRAM具有快速且不易失的特点。实时监控的传感器数据可以实时写入，而不需要负载均衡或ECC开销。AEC-Q100 1级合格的MRAM将在发动机罩下应用中发现的延长温度（-40℃至125℃）下保留数据20年。意外断电不会影响数据完整性。

2.5 NOR Flash

Nor Flash 和 NAND Flash 都属于 Flash, Flash 存储器又可以细分成很多类别， 这超过了本文的范围。放个图给大家看看就好。
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NOR Flash是一种应用领域非常广泛的存储芯片，基本上主流的电子产品都会使用它。甚至我们常用的手机摄像头和屏幕驱动电路板内部都会用到它。NOR Flash主要用来存储代码和一些比较小的数据文件，主流接口为SPI NOR，容量范围在1Mbit~128Mbit之间，封装形式以SOP-8为主，尺寸较小。

结构：NOR Flash存储器采用并行结构，将存储单元组织为存储单元阵列，每个存储单元阵列包含多个块，每个块包含多个扇区。这种结构使得NOR

Flash具有较快的读取速度和较低的访问延迟。

NOR Flash存储器是一种采用并行结构的存储设备。它将存储单元组织为存储单元阵列，每个存储单元阵列包含多个块，而每个块则包含多个扇区。这种设计使得NOR Flash具有较快的读取速度和较低的访问延迟。

NOR Flash存储器的主要特点是快速读取速度和较短的访问延迟。它适用于需要快速随机访问的应用。此外，NOR Flash还具备较快的擦写操作，可以按字节或按扇区进行擦除。然而，NOR Flash的存储密度相对较低，只适用于小容量的代码和程序。

由于NOR Flash存储器的快速读取速度和随机访问能力，它被广泛用于嵌入式系统中存储代码、固件和启动程序等。
NOR Flash的架构决定了它的容量不能太大，且读取速度相对较慢。但好处在于使用简单易懂，有些数据甚至可以直接用地址访问，不需要建立文件系统。这一点在攻城狮朋友中备受欢迎。

2. 6 NAND Flash

NAND Flash 作为一种存储介质，广泛应用于固态硬盘，UFS，eMMC，SD卡，U盘等存储产品中；闪存是一种非易失性存储器，即断电数据也不会丢失。

结构：NAND Flash存储器采用并行结构，将存储单元组织为存储单元阵列，每个存储单元阵列包含多个页，每页包含多个块，每块包含多个扇区。这种结构使得NAND Flash具有较高的存储密度。
特点：
高存储密度：适用于存储大容量的数据。
快速读取速度：NAND Flash具有较快的读取速度
擦写耗时较长：NAND Flash的擦写操作需要较长时间，通常以块为单位进行擦除 。
适用于存储应用：由于高存储密度和较低的成本，NAND Flash 广泛应用于大容量存储设备 ，如固态硬盘（SSD）、USB闪存驱动器和存储卡等。

车载 NAND Flash 存储器的演进过程

早期的GPS导航仪、行车记录仪等车载设备配备的基本都是SD卡。由于依靠的仅是SD的金手指和卡槽内的金属触点连接，无法长时间可靠地适应汽车内颠簸、高温、高湿的变化环境。

汽车行业的存储设备使用开始从SD卡转向eMMC和UFS存储芯片，这些芯片提供更好的稳定性和读写速度。与SD卡只有4比特的总线宽度不同，eMMC卡有8比特的总线宽度，最快可以提供400MB/S的读取速度，而UFS存储芯片的读取速度更是可以达到惊人的2.9GB每秒。未来，基于PCIe接口的NVMe协议车规级SSD将提供大于10GB每秒的数据吞吐率，海量存储容量将为下一代智能车载系统提供强力支持。这些存储设备还具有实时响应和温度管理特性，可以快速适应汽车内部复杂的环境变化。

下一讲我们从存储子系统层次依次来展开介绍， 像是剥洋葱一样， 漫漫揭开它的面纱。

参考

编号	链接
1	一文读懂车载存储芯片
2	SOC处理器的存储
3	计算机存储层次及常用存储简介