15.8万辆特斯拉待召回，如何解决汽车存储痛点

2021年伊始，美国国家公路交通安全管理局(NHTSA)要求特斯拉公司召回15.8万辆Model S和Model X汽车，原因是2018年以前的特斯拉Model S和Model X车款采用的MCUv1单元中，搭载的Nvidia Tegra Arm-based SoC以及8GB容量的eMMC闪存。在车辆每次启动时，都会使用这8GB存储容量的一部分，eMMC 的硬件在达到存储容量极限时会发生故障，导致MCU失效，触摸屏无法工作。特斯拉也向NHTSA确认，由于内存设备的存储容量有限，所有设备都将不可避免地出现故障。

要弄明白这起“待召回”事件，我们首先要清楚什么是闪存？

闪存（NAND Flash）是一种非易失性存储设备，具备写读速度快、抗震动以及掉电后数据不会丢失的特点，被广泛应用于手机、平板、电视、车机中控等智能终端平台中。

图一：3D NAND架构示意图

eMMC是一种将控制器捆绑到闪存模块的标准化方法，产品内部包含了Flash管理技术，包括错误探测和纠正，flash平均擦写，坏块管理，掉电保护等技术，提供高性能，轻巧，低功耗、高耐用性和成本效益等。

目前车载多媒体系统的内部存储大多数是采用嵌入式的eMMC存储。因为闪存本身的物理电气特性原因，其使用寿命（Terabytes Written，TBW）会受到擦写次数（PE Cycle)的限制，同时受到读干扰(Read disturb)、数据保持(Data retention)、工作环境温度变化等因素的影响。eMMC NAND闪存设备的寿命如超过PE Cycle的次数，车载MCU将由于闪存磨损而失效，系统可能无法使用，导致汽车相关的安全功能失效，随时是一颗“定时炸弹”。

此次“待召回”事件中的特斯拉Model S和Model X车款采用的8GB eMMC NAND闪存设备，预期使用寿命约为3000次PE Cycle，平均只需5到6年就会达到了极限，而一般车辆的预期使用寿命是要远大于这个年限。

过去车内存储容量多在8G或64G，主要用于电子仪表盘、数字图形等内容的存储。然而，5G和边缘计算的到来对汽车存储的需求越来越大。大量的感知数据、行为数据的分析以及娱乐信息都需要被存储。同时，数据处理的本地化和连网化也对eMMC存储提出更高要求。

车规级eMMC使用寿命需要多长

闪存(NAND FLASH)颗粒类型可以分为SLC、MLC、TLC、QLC四种，一般SLC的磨损寿命(PE Cycle)在30000~50000次之间，MLC的磨损寿命(PE Cycle)在2000~3000次之间，TLC的磨损寿命(PE Cycle)在300~1500次之间，QLC的磨损寿命(PE Cycle)则低至300次以内，超过磨损寿命的存储单元，将会变得不稳定，存储的数据容易丢失。

磨损寿命，也称为设备使用寿命，业内以TBW(Terabytes Written，1TB = 1024GB = 1024*1024MB)表示存储设备理论最大支持的数据写入量(理论使用寿命)，以MLC闪存颗粒为例，假设一个MLC物理块的PE Cycle为3000，那么容量为8G的eMMC，其实际可用容量为7.28GB，其TBW为 7.28*3000 = 21840GB ≈ 21.32T，假设使用寿命为6年，那么每天能支持写入的数据量为21840GB/(6*365) ≈ 10GB，这是一颗8G eMMC的理论使用寿命。

另外eMMC实际使用寿命会受到内部写入放大(Write Amplification，WAF)的影响，其实际使用寿命比理论使用寿命要低很多。影响WAF的因素很多，比如上面所说的，读干扰(Read disturb)、数据保持(Data retention)、极端高低温工作环境影响，都会引起已存储数据的稳定性变差，存储算法识别到后需要在数据变得不可纠错前进行内部数据搬移重写。还有静态磨损均衡(Wear-leveling)处理带来的额外内部数据搬移，以及垃圾回收(Garbage Collection)处理进行的内部数据归集，这些都会引起WAF的增加，从而导致eMMC实际使用寿命减少。  

eMMC实际使用寿命也会受到终端设备OS每日的数据写入量级的影响，该影响主要体现在设备的寿命年限上，在同等TBW下，如果OS使用过程中所需存储的数据量越大，设备的可使用寿命年限越短。

我们通过一款非智能汽车的中控设备（基于Android系统，具备通用的音乐播放、导航等功能），针对其常用的使用场景过程中，OS对eMMC的数据写入做一下分析。

图二：开机过程数据写入分布

图二为汽车中控设备一次开机过程的数据写入分布情况，整个开机过程数据写入量为29.26MB，其中小于16K的写命令总共1185次(5.72MB)，大于等于16K的写命令总共320次(23.54MB)。

图三：导航过程数据写入分布

图三为汽车中控设备使用车载导航3H的数据写入分布情况，整个导航过程数据写入量为593.95MB，其中小于16K的写命令总共39578次(172.22MB)，大于等于16K的写命令总共11667次(421.73MB)。

图四：播放音乐过程数据写入分布

图四为汽车中控设备使用车载音乐播放3H的数据写入分布情况，整个播放音乐过程数据写入量为188.58MB，其中小于16K的写命令总共6402次(30.48MB)，大于等于16K的写命令总共2916次(158.10MB)。

这是常规汽车中控平台在一次启动汽车并开车导航+播放音乐3个小时的应用场景，我们监控到OS总共需要写入eMMC的数据量为811.79MB。在自动驾驶汽车的中控平台上，OS除了需要照顾常用的行车使用场景，同时还需要不断记录汽车的各个传感器、行车影像等数据，往eMMC中记录数据的量级将会大幅增加，如果选用的eMMC容量太小，那么eMMC的使用寿命将无法与汽车的寿命相匹配。

目前市面上常用的存储设备种类众多，不管是eMMC、UFS或者SSD，其核心都是使用闪存作为存储介质，应用在各种不同类型的终端设备中，所以UFS或者SSD也并非能够作为eMMC的替代方案，来解决存储设备寿命有限的问题。

随着车内交互功能越来越多，承载的功能越来越复杂，交互程度越来越高等因素，数据写入量越来越大，选用大容量的车规级eMMC，来扩大存储设备容量，延长使用寿命，可能是当前汽车厂商缓解问题的主要方法。

车规级eMMC存储，如何为安全保驾护航

汽车电子不同于消费电子，要承受更为严酷的操作环境，例如极端的低温和高温，持续的振动，强烈的冲击等更多其他因素。出于对汽车安全性的考虑，所有车载产品都需要获得车规级认证。软硬件设计也需充分考虑到汽车存储的需求，适应于未来汽车应用的发展。

车规级的产品有着比传统工业级产品更高的标准，对于NAND Flash闪存颗粒有着更为严格的挑选和测试标准，品质要求更高。即使在极高和极低的温度下，系统性能也很稳定，确保汽车系统的可靠。

图五：主控芯片关键功能模块结构图

从存储控制芯片的性能来看，车规级eMMC控制芯片需要提供低压保护（Low Power Control），确保电压波动不会对eMMC存储数据稳定性、一致性造成影响。强大的LDPC纠错能力有助于eMMC在不同极端工作温度环境下都能确保数据正确性，同时能有效的延长闪存的最大磨损寿命。

在车规级控制芯片的FW固件设计上，也需要从多个方面来确保eMMC数据稳定性以及提升eMMC使用寿命。

图六:算法固件示意图

Read disturb处理，通过建立全盘Block读监控机制，及时对可能出现读干扰的块进行监控，对已受干扰的块进行数据重写，在确保数据稳定性的同时，减少内部数据重写频度，减少WAF，最大限度的降低对eMMC使用寿命的影响。

图七：闪存基本单元浮栅晶体管的截面图

针对闪存中长时间没有被访问的有效静态数据块，通过定时监控算法，一旦发现数据稳定性出现变化，及时对该数据块的全部数据进行重写，确保数据的稳定性。

图八：磨损差值与TBW的关系

在静态磨损均衡处理算法设计上，重点考虑闪存模块的磨损均衡与静态磨损均衡处理所带来的写放大这两者之间的平衡，即允许闪存数据块之间存在一定的磨损差值，以求减少静态磨损均衡处理的频率，从而减少内部数据搬移对写放大的影响。

第三代LDPC纠错算法，对比BCH 72Bit，纠错能力有超过60%的提升，结合高速Read retry算法设计，在有效延长闪存磨损寿命的同时，也保证Read CMD的及时响应，确保eMMC在极端温工作环境下的数据正确性。

总之，通过对车规级eMMC存储控制芯片的优化，不断提高车规级eMMC产品的性能和高可靠性，提升对数据收集、传输和处理的高效率能力，保障eMMC使用寿命最大化。

优质的NAND Flash闪存颗粒和存储主控决定着eMMC的品质，成熟严苛的生产验证规范是eMMC质量的保证。从车规级eMMC的生产和验证要求来看，通过对产品高低温测试和可靠性的验证，模拟高振动冲击、恶劣环境、长周期、连续工作等条件，确保产品的高可靠性和稳定性；按照符合零失效（Zero Defect）的供应链品质管理标准 ISO/TS 16949 规范进行生产管理，减少在汽车零部件供应链中容易产生的质量波动；针对车规级eMMC的高可靠性要求，按照AEC-Q100的汽车认证标准，对每一款产品都进行严苛测试。

此外，从供应链来看，车规级eMMC需要3至10年的长期稳定供货，质保3年。当前汽车芯片缺货在汽车行业愈演愈烈，危机让汽车厂商更加重视汽车芯片的供应链，也让业界意识到拥有自主和可控的供应链是非常有必要的。

结语

综合来看，车规级eMMC供应商的全栈式解决方案的能力将至关重要。芯片厂商不仅要和闪存原厂建立有稳定且长期的合作，自主拥有eMMC存储控制技术，还要获得供应链多项体系和规范标准认证。从存储介质颗粒筛选，到存储控制器及固件的开发，模组设计、封装、生产、测试和售后服务各个环节，都要严苛把关，满足车规级eMMC领域的技术以及规范标准要求。

目前，国内仅有少数厂商在该领域有多年的经验积累，拥有车规级eMMC In-house主控芯片的研发能力，可以提供车规级eMMC的一站式存储解决方案及服务。

随着我国新能源汽车快速发展，5G、车联网、AI等新兴技术加速与汽车产业融合，车联网、智能驾驶、ADAS、边缘计算等成为汽车电子重要的组成，由此也带动汽车半导体用量的大幅上升。可以说，巨大的汽车半导体市场机遇，国产汽车存储芯片厂商不容错过。

< 长按识别二维码添加好友 >

加入上述群聊

长按并关注

带你走进万物存储、万物智能、

万物互联信息革命新时代

微信号：SSDFans