关键任务应用需要主动感知故障的存储器

针对故障零容忍的关键任务应用，具有嵌入式功能的安全存储器将彻底改变高可靠性和高安全性系统的设计方式。

首款集成了存储器的微处理器曾为行业带来变革。直接从内部访问存储器不仅能提高吞吐量与可靠性，也有助于消除故障点，并且降低系统成本。如今，有些微处理器集成了多种类型的存储器。然而，这个趋势目前正在逆转：存储器开始反过来集成微处理器。这将再次掀起电子行业的变革，让所有需要可靠性、安全性、监控功能和人工智能的智能应用更加智能。

主动感知故障

运行关键任务应用使用存储器件安全地启动系统、记录关键信息，并将工作存储器扩展用于关键功能。这类需要“主动感知故障”的应用包括高级驾驶辅助系统（ADAS）、便携式医疗设备、工厂自动化、国防级传感器和高级无线通信系统。每个应用都包含不允许出现故障的关键任务功能或子系统，出现故障往往要付出高昂的代价，比如系统损坏、成本高昂的停运和/或人身伤亡。

站在存储器角度，主动感知故障的运行要求包括：1）系统可确保某个值能够存储在存储器中，并能够后续检索该值；2）系统知道特定值是否不再可靠，以便采取纠正措施。虽然不断微型化的工艺技术已让存储器密度进一步提高，但同时也增大了存储器出现故障的风险，如宇宙射线粒子导致的位翻转。因此，存储器可靠性迅速成为所有关键任务应用OEM厂商的一致关注点，尤其是在必须符合安全法规和永不停机应用的行业内。

主动感知故障的系统需要准确地存储启动代码并可靠地使用该代码启动。随着汽车逐渐实现自动驾驶，汽车的“智能”部分需要准确的传感器数据才能制定决策。数据错误可能导致误报危险。因此，需要更多的系统存储器来提供高可靠性，才能确保安全运行。

为了提高存储器的可靠性，主处理器将计算错误校正码（ECC）值并存储该值，以便系统后续验证，读回的数据与存储的数据是否相同。此外，ECC还便于系统纠正潜在错误。然而，ECC值需要占用主处理器资源才能计算。系统还必须确保ECC值在存储时未曾发生位翻转。

高可靠任务的另一示例是非易失性存储器（NVM）的损耗均衡。因为NVM单元耐久度有限，频繁发生写入的系统必须分散单元的使用，让损耗散布在整个存储器上，以避免部分存储区块过早失效。实施有效的损耗均衡会给主机处理器造成额外的负担。

主动感知故障的存储器

当今最先进的存储器产品经过优化，能够满足关键任务应用的需求。它们经过专门设计，可以在高强度工作负载和恶劣环境下存储、保护和恢复数据。这些增强型存储器在内部集成了计算功能，实现高水平的功能安全性与可靠性。集成计算还能实现附加功能，如用作信任根。

主动感知故障的存储器不依靠主处理器来确保存储器可靠性，而是自行管理这一功能。这样可以实现即时启动等重要功能，因为这种方式比使用主处理器验证和加载启动代码更快。此外，配置数据的完整性和其它重要数据的完整性，能迅速可靠地在主动感知故障的存储器中完成验证。高级存储器还能监控自身运行，以确保主处理器和存储器间的读写完整性。

使用具备嵌入式功能的主动感知故障的存储器，也能大幅加快产品上市进程。为需要满足安全要求的应用设计高可靠性功能需要花费时间。同时需要开展广泛的分析，以验证其合规性。主动感知故障的存储器集成了这些功能，可以同时节省时间与成本。

不必采用较高性能的主处理器来验证存储器可靠性，也能进一步节省成本。将必要的处理功能集成到存储器中，能降低使用新一代智能存储器的总体BOM成本。

从SRAM到NOR闪存、F-RAM和NVRAM等非易失性器件，所有类型的存储器都可使用主动感知故障的功能。例如，FRAM/NVRAM用于自动驾驶汽车的数据记录或轨迹计算，也需要具备与NVM一样的可靠性，NVM用于存储进行计算所需的应用代码。

存储器的未来

虽然智能存储器的主要优势是提高可靠性，但它同时还具备另一个越来越显著的优势，那就是为创新提速。安全法规的变化很快，安全功能需要能够持续应对新的安全威胁。通过使用将存储器与处理器相集成的架构，与借助软件相比，OEM厂商能够更快地落实新的安全措施。此外，由于智能存储器子系统能够符合安规要求，现有应用也能立即适应这些安规的要求。并且，通过简单地更换存储器，OEM厂商就能为产品线引入全新的可靠性功能。

主动感知故障的存储器还可以用于保护数据安全。嵌入式处理器的存储器同时可以集成加密引擎，因此能更安全地存储数据。由于存储器的引脚数一般小于处理器所需的引脚数，因此，这些功能及其它高级功能可以在存储器中以相对较低的成本实现。

然而，保护数据安全只是开始。试想一下，未来存储器能够在存储数据前就对传感器数据进行计算。由于安全存储器不依靠外部处理器，因此它们本质上拥有更高的可靠性。

未来，智能存储器将以不计其数的方式协助主机进行处理工作。

今后，普通存储器将继续在市场上销售，但对于故障零容忍的应用来说，主动感知故障的存储器将提供数据存储外的安全功能，这将彻底改变高可靠性和高安全性系统的设计方式。

(参考原文：Mission-Critical Applications Drive Need for Smarter Memory)

本文为《电子工程专辑》2020年3月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。点击申请免费杂志订阅