一文读懂车载存储芯片

谈思汽车 2023-06-17 10:40 945浏览 0评论 0点赞

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存储类芯片介绍

存储芯片，也叫存储器，是用来存储程序和各种数据信息的记忆部件。根据断电后数据是否被保存，可分为 ROM（非易失性存储芯片）和RAM（易失性存储芯片），即闪存和内存，其中闪存包括NAND Flash和NOR Flash，内存主要为DRAM。

存储芯片分类示意图

※资料来源：亿欧

根据存储形式不同，存储器可分为三大类：光学存储、半导体存储器、磁性存储，其中光学存储是指根据激光等特性进行存储，常见的有DVD/VCD等；半导体存储器是指采用电能存储，是目前应用最多的存储器；磁性存储，常见的有磁盘、软盘等。

从产品形态来看，存储器主要包括NAND Flash、DRAM和NOR Flash等，其中NAND Flash ，属于非易失性存储器，据IC Insights统计，2020 年，全球半导体市场规模为4402 亿美元，存储器市场规模为 1172 亿美元，NAND Flash 闪存市场规模达到494 亿美元。其中NAND Flash 闪存是存储器的第二大细分市场，占比高达42%，主要用于大容量外部存储。

DRAM即动态随机存储器，属于易失性存储器，2020年全球DRAM市场实现销售额为663.83亿美元，较2019年小幅增长6.75%。DRAM全球市场相较于 NAND Flash更为集中，2020年全球DRAM市场由三星电子、SK海力士和镁光科技三家公司主导，中国也涌现出合肥长鑫等DRAM IDM企业。

NOR Flash属于非易失性存储，NOR Flash广泛应用于需要存储系统程序代码的电子设备。NOR Flash是除DRAM和NAND Flash之外市场规模最大的存储芯片。近年来随着智能手机、物联网、TWS耳机、5G及汽车电子等下游应用需求的增长，NOR Flash市场规模逐步增长。中金企信统计数据显示，2020年NOR Flash全球市场规模约为25亿美元，预计2021年NOR Flash市场规模约为31亿美元，主要用于存储固定代码。其他存储器类型还包括SRAM（易失性存储）和几种ROM（非易失性存储），但市场普及度都比较低。

汽车电子包括车体电子控制装置和车载电子控制装置，前者需要和汽车机械系统配合；后者能够独立使用。随着汽车电动化与智能化，电动汽车和无人驾驶发展迅猛，相应的辅助驾驶系统ADAS、电池管理系统BMS等被广泛应用，汽车中配置的电子零组件占比越来越高。汽车电子的快速增长也将带动车用存储器需求，叠加配套器件如行车记录仪等带动的需求，预计该领域将带动NOR/SLC NAND保持10%以上的复合增长。

未来出行是电动化，自动化和互联化，但是对于汽车开发来讲要交付这种趋势其中一项最大的挑战是来自于整车的电子电气架构，电子电气架构从传统的分布式到域控制器式最终到中央处理器逐渐发展。从各个模块相互独立，到功能集成，再到域控制，再到域控制融合，到整车融合中央处理，最终到达云计算。

根据博世的经典五域来看，主要的域控制器包括自动驾驶域、底盘域、信息娱乐域、车身域、动力总成域等。但不同的车企对域控制的定义并不相同，而且目前域控制器+中央控制器的混合架构可能成为一个较为理想的解决方案。目前自动驾驶域和信息娱乐域不管是从软硬件要求还是从实现强大的功能需求来说都比较明确作为单独的域控制来看。动力域、车身域和底盘域等在执行端依然会保留基础控制器复杂终端执行功能，控制算法上由中央控制器统一控制。

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：

（1）智能驾驶系统中的存储器

智能驾驶系统中的存储器

※资料来源：公开资料、编写单位提供

（2）智能座舱系统中的Memory

智能座舱系统中的存储

※资料来源：公开资料、编写单位提供

（3）智能中央网关系统中的Memory

智能中央网关系统中的Memory

※资料来源：公开资料、编写单位提供

（4）智能域控制系统中的Memory

智能域控制系统中的Memory

※资料来源：公开资料、编写单位提供

（5）新能源混合发动机控制系统中的Memory

新能源混合发动机控制系统中的Memory

※资料来源：公开资料、编写单位提供

具体而言，智能座舱、车联网、智能驾驶等功能的实现均需要一定的存储空间来支持其正常运行。以智能驾驶为例，根据镁光科技及中国闪存市场预计，L2、L3级的自动驾驶汽车对内存带宽要求大致为100GB/s，对NAND Flash的平均容量需求约为32GB，而未来L4、L5级的全自动驾驶汽车则需要300GB/s-1TB/s的内存带宽，对NAND Flash的平均容量需求约为256GB。

存储芯片在汽车上的应用

※资料来源：SK Hynix，中银证券

闪存类芯片

闪存作为一种存储介质，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。

闪存应用

※资料来源：公开资料、编写单位提供

闪存芯片内部分为LUN（逻辑单元）, PLANE（平面）, BLOCK（区块）, PAGE（页）；一个封装好的闪存芯片可能包含若干个LUN（逻辑单元）；一个PLANE（平面）就是一个存储矩阵，包含若干个BLOCK（区块）；BLOCK（区块）是闪存的最小擦除单位，一个BLOCK（区块）包含了若干个PAGE（页）；PAGE（页）是闪存的最小读写单位，一个PAGE（页）包含若干个BYTE（字节）。

闪存阵列结构

※资料来源：公开资料、编写单位提供

（1）基本要求

基本要求

（2）功耗要求

目的：闪存功耗过大会导致芯片过热，影响能量消耗和用户体验。

描述：闪存需要保证在以下不同的工作模式以及待机模式下，功耗满足产品手册的要求，参数如下：

ICC1/ICCQ1：闪存进行读操作过程中的电流

ICC2/ICCQ2：闪存进行写操作过程中的电流

ICC3/ICCQ3：闪存进行擦操作过程中的电流

ICC4R/ICC4RQ/ICC4W/ICC4WQ：闪存进行读写送数据的过程中的电流

ICC5/ICC5Q：闪存处于IDLE（闲置）状态的电流

ISB/ISBQ：闪存处于STANDBY（待命）状态的电流

（3）性能要求

目的：闪存产品的性能会直接影响用户体验，性能太差会导致系统长时间没有反应。

描述：闪存产品需要保证以下性能指标满足产品手册要求。

① tProg：以PAGE（页）为单位进行PROGRAM（写入）操作一次需要的时间。

② tR：以PAGE（页）为单位进行READ（读）操作一次需要的时间。

③ tBERS：以BLOCK（分区）为单位进行ERASE（擦除）操作一次需要的时间。

④ IO Speed:数据传输的速率。

（4）可靠性要求

目的：闪存在实际使用中需要保证在生命周期内各种环境条件下功能的完整性及数据的有效性。

描述：闪存可靠性主要体现在以下方面，具体要求见相应的产品手册。

①寿命：闪存有寿命限制，当一个闪存块接近或超出其最大擦写次数时，可能导致存储单元永久性损伤，不能再使用。

②读干扰：当读取闪存块中的一个PAGE（页）时，闪存块当中未被选中的PAGE（页）都会被相对较弱的进行PROGRAM（写入），随着读取次数的增加，从而最终导致这些PAGE（页）中的数据变化，造成读干扰。读干扰不是永久性损伤，重新擦除后闪存还可以正常使用。

③电荷泄露：闪存中保存的数据，如果长期不使用，会发生电荷泄露，导致数据丢失。这同样会导致非永久性损伤，擦出后后闪存还能正常使用。

汽车Nand存储技术发展趋势

资料来源：铠侠、信达证券

从车载存储技术来看，以往车载NAND Flash存储器多为eMMC，数据存储用量提升后，性能更好的UFS存储有望逐渐渗透。

国内企业也有相关布局，以江波龙为例，在2021年就开始投入研发相关产品，预计在2022年下半年推出满足AEC-Q100 Grade 2级别的FORESEE UFS 2.2产品，首次推出的产品容量为64GB-128GB（Operation Temp：-40~105度，Reliability：10ppm以下，Longevity：3年），支持LDPC算法、Write Booster、HPB、紧急断电保护、FFU升级、FBA数据加速等功能。未来，FORESEE 车规级UFS将重点在车载驾驶域和驾舱域进行产品推广，以满足客户对大容量和高数据传输速度的要求。

DRAM芯片

动态随机存储器（DRAM）作为存储单元，由一个MOSFET和一个电容组成，DRAM存储芯片上布满存储电路，存储电路主要由一个个存储单元组成存储阵列，阵列密度决定存储密度，DDR是由固态技术协会（ JEDEC ）制定的DRAM内存标准，目前市场上主要产品为DDR4。由于每一代DDR都需要平台支持，短期难以替换之前的DDR产品。市场格局上，主要为国外及中国台湾企业，国产企业占比相对较低。

DRAM芯片市场格局

※资料来源：公开资料、编写单位提供

市场格局

存储器市场竞争格局较为集中，三星、镁光、海力士、铠侠长期处于行业主导地位，而在车载领域，存储产品不具生产标准化特点，而且对成本敏感性较低，因此竞争格局有所不同，几大行业龙头中仅镁光有所投入，根据开源证券的研报数据，镁光近年来在车载易失性存储领域第一名，市场份额超过40%，北京矽成（北京君正）位居行业第二名，市场份额约为15%，南亚科技、三星电子、SK海力士、赛普拉斯等位居其后，但由于车载市场的快速发展，传感器复杂度的不断提升，车载存储器这一领域正在成为各大巨头们的新增长关注点，也是国产企业重点攻克应用领域之一。