Serielles Hochleistungs-NAND Eine bessere Speichertechnik für Display-Systeme

Für die nichtflüchtige Speicherung von Daten in Automotive-Display-Systemen kamen bislang hauptsächlich NOR-Flash-ICs zum Einsatz. Doch die wachsenden Datenmengen machen andere Speichertechniken erforderlich. Ist die Zeit reif für NAND-Flash in solchen Systemen?

Displays im Auto, sowohl in der Armatureneinheit als auch in der Mittelkonsole (Central Information Display, CID) bzw. der Head Unit werden immer größer, leistungsfähiger und ihre Anzahl nimmt weiter zu. Dank der Beliebtheit von Geräten wie Tablets und Smartphones haben sich die Autofahrer daran gewöhnt, über farbige Grafik auf großen, hochauflösenden Dis-plays mit Technologie zu interagieren.

Die Fahrzeughersteller reagieren auf dieses veränderte Verbraucherverhalten, indem sie im CID Displays mit 7 Zoll und mehr einsetzen. Mit der weiteren Entwicklung hin zu Grafik-orientierten Bedienerschnittstellen wird erwartet, dass – ähnlich wie im Cockpit eines Flugzeugs – drei oder mehr Displays um den Fahrer herum angeordnet werden.

Derselbe Trend zeigt sich bei Armatureneinheiten. Neue Fahrzeuge der Mittelklasse erhalten heute eine Hybrideinheit aus mechanischen Anzeigen sowie einem mittelgroßen 2D-Grafikdisplay. In der Oberklasse ist die herkömmliche Armatureneinheit durch große Displays verdrängt worden, bei denen herkömmliche Zeigerinstrumente als Grafik dargestellt werden und daneben Fahrerassistenzsysteme, Navigation und Infotainment erscheinen (Bild 1).

Das große Display lässt das Innere des Fahrzeugs moderner wirken. Das Benutzererlebnis des Fahrers verbessert sich. Jedoch muss durch die veränderte Benutzerschnittstelle die Spezifikation der Speicherbauteile in Infotainment-Systemen überdacht werden.

Die neuen Displays mit hohem Grafikanteil brauchen deutlich mehr Software als kleinere und einfachere Displays. Außerdem muss das Display-System in Anwendungen wie Kartendarstellung und Navigation oder den verschiedenen Arten von Fahrerassistenzsystemen sehr viel größere Datenmengen als bisher handhaben. In der Vergangenheit wurde in Automotive-Display-Systemen in der Regel ein NOR-Flash-Chip für die nichtflüchtige Speicherung von Code und Daten eingesetzt. Dieser Bauteiltyp ist sehr zuverlässig und unterstützt schnelle Lesevorgänge – zwei Eigenschaften, die von den Entwicklern automotiver Systeme besonders geschätzt werden.

NOR-Flash ist eine Speichertechnik mit vergleichsweise geringer Dichte. Wenn mehr als 512 Mbit Code gespeichert werden müssen, sprechen wirtschaftliche Faktoren deutlich gegen den Einsatz von NOR-Flash. In Fahrzeugen der Oberklasse haben die Hersteller versucht, sich etwas bei der Konsumelektronik abzuschauen, indem sie die eMMC-Halbleiter-Speichertechnik übernommen haben, die in Smartphones und Notebooks verbreitet eingesetzt wird. Doch viele Entwickler in der Automobilindustrie haben Bedenken hinsichtlich der Kosten und der Zuverlässigkeit, wenn es um den Einsatz von eMMC-Speicherbauteilen in Fahrzeugen der Mittel- und Kompaktklasse geht.

Diese Lücke will Winbond nutzen: Das Unternehmen hat kürzlich ein Produkt mit seriellem Flash-Speicher entwickelt.

Die drei entscheidenden Anforderungen

Insbesondere drei Aspekte sind wichtig bei der Entwicklung von Automotive-Displays: die Geschwindigkeit, die Zuverlässigkeit und die Kompatibilität.

Geschwindigkeit

Die Systeme müssen eine hohe Lesegeschwindigkeit zulassen. Denn die Fahrzeughersteller geben für den Boot-Vorgang eines Displays oder eines Infotainment-Systems im Interesse der Benutzerfreundlichkeit eine maximale Dauer von einer Sekunde vor. Standard-Architekturen arbeiten mit einer Spiegelung aus einem nichtflüchtigen Flash-Speicher in einen DRAM-Hauptspeicher, aus dem der Code in das Host SoC geladen wird. Wenn eine große Menge an Code in das SoC geladen und in weniger als einer Sekunde ausgeführt werden soll, muss die Lesegeschwindigkeit des Flash-Bauteils entsprechend hoch sein. Dies ist eine Stärke der SPI-NOR-Flash-Produkte, zum Beispiel der Serie SpiFlash von Winbond mit ihrer maximalen Lesegeschwindigkeit von 50 MB pro Sekunde.

Zuverlässigkeit

Dass Automotive-Systeme besonders zuverlässig sein müssen, ist nichts Neues. Die Käufer erwarten von den Fahrzeugen eine lange Lebensdauer von mindestens zehn Jahren, und die Zuverlässigkeits-Rankings sowie die Markenwerte der Fahrzeughersteller hängen stark von der Wahrnehmung der Fahrzeugzuverlässigkeit durch die Verbraucher ab.

Bei der nichtflüchtigen Speicherung wird die Zuverlässigkeit durch zwei Faktoren beeinträchtigt:

Bitfehler, die sowohl beim Lesen als auch beim Schreiben auftreten können. Im Betrieb verursacht die NOR-Flash-Technik vernachlässigbare Bitfehlerraten, und diese Fehler können mit Hilfe eines 1-Bit-Fehlerkorrekturcodes (ECC) korrigiert werden.

Das Abfließen von Elektronen aus den Flash-Speicherzellen führt nach einiger Zeit zu einem Datenverlust, durch den Lesefehler entstehen können. Der Betrieb bei sehr hohen Temperaturen beschleunigt diesen Vorgang und verkürzt daher die durchschnittliche Datenerhaltung in den Zellen von Flash-Bauteilen. Bei NOR-Flash-Speicherchips ist die Datenerhaltung wegen der vergleichsweise großen Speicherzellen sehr gut, da jede Zelle eine große Zahl von Elektronen enthält.

Kompatibilität

Die dritte wesentliche Anforderung an Datenspeicherchips in Automotive-Systemen ist ihre Kompatibilität zu älteren Entwicklungen. Bei der Entwicklung automotiver Systeme handelt es sich gewöhnlich eher um eine Evolution als um eine Revolution. Wegen der hohen Kosten für die Qualifizierung und Validierung neuer Hardware- und Software-Komponenten neigen die Entwicklerteams dazu, bei der Erweiterung der Leistung oder zusätzlichen neuen Funktionen auf einer vorhandenen Code-Basis aufzubauen, die bereits auf einer vertrauten SoC-Architektur läuft.

Diese drei Faktoren sprechen alle zugunsten von NOR-Flash als bevorzugte nichtflüchtige Speichertechnologie für Armatureneinheiten und Displays. Es bietet hohe Datentransferraten, niedrige Bitfehlerraten, eine lange Datenerhaltung und eingeführte Protokolle für die Schnittstelle zum Host SoC.

Der Einsatz von NOR-Flash in Automotive-Displays wird jedoch zunehmend fraglich. Wie bereits erwähnt, bringen die geringe Dichte und die großen Zellen des NOR-Flash Vorteile bei der Datenerhaltung mit sich. Das bedeutet aber auch, dass die Größe und damit die Kosten des Chips mit höherer Speicherkapazität sehr schnell ansteigen. Die NAND-Flash-Technik hat eine viel geringere Zellengröße. Damit ist sie dank ihrer höheren Speicherdichte bei größeren Datenkapazitäten eine kostengünstigere Lösung.

Tatsächlich betragen bei Speicherdichten von 512 Mbit und mehr die Kosten pro Bit bei einem seriellen NAND-Flash-IC gemeinhin weniger als die Hälfte einer entsprechenden SPI-NOR-Flash-Lösung. Genau diese Dichten werden für die neuen größeren Automotive-Displays benötigt.

In der Vergangenheit lehnten es Entwickler von Automotive-Systemen ab, NAND-Flash-ICs in Infotainment- Systemen zu verwenden, bei denen Geschwindigkeit und Zuverlässigkeit derart kritisch sind. Zwar werden in der Konsumelektronik, zum Beispiel bei Mobiltelefonen, NAND-Flash-Speicher für Benutzerdaten wie Musik und Fotos genutzt. In der Automobilindustrie galt jedoch bisher die Annahme, dass NAND-Flash-ICs eine zu geringe Datentransferrate bieten, für hohe Bitfehlerraten anfällig sind und die Datenerhaltung insbesondere bei den hohen Temperaturen, wie sie in Automotive-Anwendungen häufig auftreten, begrenzt ist.

Dieses Vorurteil mag auf die besonders preiswerten NAND-Flash-ICs mit besonders hoher Dichte zutreffen, die in der Multimedia-Konsumelektronik verbaut werden. Das von Winbond entwickelte, serielle Hochleistungs-NAND-Flash kombiniert hingegen eine hohe Dichte mit niedrigen Kosten pro Bit, und dies bei der Geschwindigkeit und Zuverlässigkeit, die von den Entwicklern in der Automobilindustrie gefordert wird.

Das serielle Hochleistungs-NAND

Der 1-Gbit-Speicherbaustein W25N01JW ist ein serielles SLC-NAND-Flash-IC (Single-Level Cell), das in Winbonds proprietärem 46-nm-Prozess hergestellt wird. SLC NAND hat größere Zellen als die MLC- (Multi-Level Cell) und TLC- (Triple-Level Cell) NAND-Typen mit höherer Dichte, die in der Konsumelektronik eingesetzt werden. Diese größeren Zellen und die vergleichsweise großen 46-nm-Strukturen führen dazu, dass die Datenerhaltung durch das Abfließen von Elektronen nicht beeinträchtigt wird.

Das W25N01JW bietet eine Datenerhaltung von zehn Jahren beim ständigen Betrieb unter 70 °C und nach 10.000 Programmier-/Löschzyklen (Bild 2). Das ist ein wesentlicher Unterschied gegenüber dem Verhalten der eMMC-Bausteine, die heute in den CIDs von High-End-Fahrzeugen weit verbreitet sind und Daten selbst im SLC-Modus nur für einen Bruchteil dieser Zeit speichern können.

Das W25N01JW arbeitet außerdem mit 1-Bit-Fehlerkorrektur-Code (ECC) bei allen Lese- und Schreibvorgängen, um sämtliche 1-Bit-Fehler zu korrigieren. Es erfüllt hinsichtlich der Wiederbeschreibbarkeit, der Datenerhaltung und der Qualität die Anforderungen des AEC-Q100-Standards und der relevanten JEDEC-Spezifikationen.

Beim W25N01JW hat Winbond weitere Innovationen eingebracht, die für die höchsten Datentransferraten sorgen, die es bei NAND-Flash-Speicher jemals gegeben hat: 83 MB/s über eine QSPI-Schnittstelle (Quad Serial Peripheral Interface), was der Geschwindigkeit des heute in Fahrzeugen eingesetzten SPI-NOR-Flash entspricht. Die neue Winbond-Architektur unterstützt zudem eine Zwei-Chip-Dual-Quad-Schnittstelle, die eine maximale Datenübertragungsrate von 166 MB/s ermöglicht (Bild 3).

Die SoCs zur Steuerung der nächsten Generation von Fahrerassistenzsystemen und Armatureneinheiten streamen Daten auf dem Datenbus mit einer maximalen Rate von rund 200 MB/s. Das heißt, dass das serielle Hochleistungs-NAND-Flash von Winbond im Dual- oder Quad-I/O-Modus 80 % dieser Datenrate unterstützen kann.

Das neue serielle Hochleistungs-NAND-Flash von Winbond erfüllt somit bei Dichten von 1 Gbit und mehr die Anforderungen der Entwickler im Automobilbereich an Geschwindigkeit und Zuverlässigkeit zu deutlich geringeren Kosten als SPI-NOR-Flash. Zusätzlich erfüllt es die dritte Anforderung an eine alternative Speicherlösung: die Kompatibilität.

Das W25N01JW wird im WSON- und TFBGA-Gehäuse mit den Standardabmessungen von 8 mm x 6 mm – genau wie bei NOR-Flash-ICs – geliefert. Es unterstützt außerdem ein NOR-Flash-kompatibles Protokoll sowie das Standardprotokoll für serielles NAND, sodass Entwickler von Fahrzeugsystemen das NOR-Flash in vorhandenen Entwicklungen durch serielles Hochleistungs-NAND von Winbond ersetzen können, ohne dass sie den Anwendungscode neu schreiben müssen.

Der Autor

Takehiro Kaminaga
arbeitet als stellvertretender Geschäftsführer im Flash Memory Marketing und in der FAE Group bei der Winbond Electronics in Japan. Er ist seit 2010 bei Winbond und war dort schon für die Produktplanung und Promotion im Bereich NAND verantwortlich. Vor seiner Tätigkeit bei Winbond war er Marketing Manager bei Eterna sowie Marketing Manager bei Vantel. Er hat über 19 Jahre Erfahrung auf dem Gebiet der Speichertechnik.