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一文讀懂車載存儲芯片

 花信風(fēng)zq 2023-06-08 發(fā)布于上海

來源:中國汽車芯片聯(lián)盟

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1. 存儲類芯片介紹

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存儲芯片,也叫存儲器,是用來存儲程序和各種數(shù)據(jù)信息的記憶部件。根據(jù)斷電后數(shù)據(jù)是否被保存,可分為 ROM(非易失性存儲芯片)和RAM(易失性存儲芯片),即閃存和內(nèi)存,其中閃存包括NAND Flash和NOR Flash,內(nèi)存主要為DRAM。

存儲芯片分類示意圖

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※資料來源:億歐

根據(jù)存儲形式不同,存儲器可分為三大類:光學(xué)存儲、半導(dǎo)體存儲器、磁性存儲,其中光學(xué)存儲是指根據(jù)激光等特性進(jìn)行存儲,常見的有DVD/VCD等;半導(dǎo)體存儲器是指采用電能存儲,是目前應(yīng)用最多的存儲器;磁性存儲,常見的有磁盤、軟盤等。

從產(chǎn)品形態(tài)來看,存儲器主要包括NAND Flash、DRAM和NOR Flash等,其中NAND Flash ,屬于非易失性存儲器,據(jù)IC Insights統(tǒng)計(jì),2020 年,全球半導(dǎo)體市場規(guī)模為4402 億美元,存儲器市場規(guī)模為 1172 億美元,NAND Flash 閃存市場規(guī)模達(dá)到494 億美元。其中NAND Flash 閃存是存儲器的第二大細(xì)分市場,占比高達(dá)42%,主要用于大容量外部存儲。

DRAM即動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲器,屬于易失性存儲器,2020年全球DRAM市場實(shí)現(xiàn)銷售額為663.83億美元,較2019年小幅增長6.75%。DRAM全球市場相較于 NAND Flash更為集中,2020年全球DRAM市場由三星電子、SK海力士和鎂光科技三家公司主導(dǎo),中國也涌現(xiàn)出合肥長鑫等DRAM IDM企業(yè)。

NOR Flash屬于非易失性存儲,NOR Flash廣泛應(yīng)用于需要存儲系統(tǒng)程序代碼的電子設(shè)備。NOR Flash是除DRAM和NAND Flash之外市場規(guī)模最大的存儲芯片。近年來隨著智能手機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)、TWS耳機(jī)、5G及汽車電子等下游應(yīng)用需求的增長,NOR Flash市場規(guī)模逐步增長。中金企信統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示,2020年NOR Flash全球市場規(guī)模約為25億美元,預(yù)計(jì)2021年NOR Flash市場規(guī)模約為31億美元,主要用于存儲固定代碼。其他存儲器類型還包括SRAM(易失性存儲)和幾種ROM(非易失性存儲),但市場普及度都比較低。

汽車電子包括車體電子控制裝置和車載電子控制裝置,前者需要和汽車機(jī)械系統(tǒng)配合;后者能夠獨(dú)立使用。隨著汽車電動(dòng)化與智能化,電動(dòng)汽車和無人駕駛發(fā)展迅猛,相應(yīng)的輔助駕駛系統(tǒng)ADAS、電池管理系統(tǒng)BMS等被廣泛應(yīng)用,汽車中配置的電子零組件占比越來越高。汽 車電子的快速增長也將帶動(dòng)車用存儲器需求,疊加配套器件如行車記錄儀等帶動(dòng)的需求,預(yù)計(jì)該領(lǐng)域?qū)?dòng)NOR/SLC NAND保持10%以上的復(fù)合增長。

未來出行是電動(dòng)化,自動(dòng)化和互聯(lián)化,但是對于汽車開發(fā)來講要交付這種趨勢其中一項(xiàng)最大的挑戰(zhàn)是來自于整車的電子電氣架構(gòu),電子電氣架構(gòu)從傳統(tǒng)的分布式到域控制器式最終到中央處理器逐漸發(fā)展。從各個(gè)模塊相互獨(dú)立,到功能集成,再到域控制,再到域控制融合,到整車融合中央處理,最終到達(dá)云計(jì)算。

根據(jù)博世的經(jīng)典五域來看,主要的域控制器包括自動(dòng)駕駛域、底盤域、信息娛樂域、車身域、動(dòng)力總成域等。但不同的車企對域控制的定義并不相同,而且目前域控制器 中央控制器的混合架構(gòu)可能成為一個(gè)較為理想的解決方案。目前自動(dòng)駕駛域和信息娛樂域不管是從軟硬件要求還是從實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的功能需求來說都比較明確作為單獨(dú)的域控制來看。動(dòng)力域、車身域和底盤域等在執(zhí)行端依然會保留基礎(chǔ)控制器復(fù)雜終端執(zhí)行功能,控制算法上由中央控制器統(tǒng)一控制。

存儲器在新的電子電氣結(jié)構(gòu)中各個(gè)系統(tǒng)的中的分布圖如下:

(1)智能駕駛系統(tǒng)中的存儲器

智能駕駛系統(tǒng)中的存儲器

圖片※資料來源:公開資料、編寫單位提供

(2)智能座艙系統(tǒng)中的Memory

智能座艙系統(tǒng)中的存儲

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※資料來源:公開資料、編寫單位提供

(3)智能中央網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)中的Memory

智能中央網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)中的Memory

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※資料來源:公開資料、編寫單位提供

(4)智能域控制系統(tǒng)中的Memory

智能域控制系統(tǒng)中的Memory

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※資料來源:公開資料、編寫單位提供

(5)新能源混合發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中的Memory

新能源混合發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中的Memory

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※資料來源:公開資料、編寫單位提供

具體而言,智能座艙、車聯(lián)網(wǎng)、智能駕駛等功能的實(shí)現(xiàn)均需要一定的存儲空間來支持其正常運(yùn)行。以智能駕駛為例,根據(jù)鎂光科技及中國閃存市場預(yù)計(jì),L2、L3級的自動(dòng)駕駛汽車對內(nèi)存帶寬要求大致為100GB/s,對NAND Flash的平均容量需求約為32GB,而未來L4、L5級的全自動(dòng)駕駛汽車則需要300GB/s-1TB/s的內(nèi)存帶寬,對NAND Flash的平均容量需求約為256GB。

存儲芯片在汽車上的應(yīng)用

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資料來源:SK Hynix,中銀證券

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2. 閃存類芯片

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閃存作為一種存儲介質(zhì),廣泛應(yīng)用于固態(tài)硬盤,UFS,eMMC,SD卡,U盤等存儲產(chǎn)品中;閃存是一種非易失性存儲器,即斷電數(shù)據(jù)也不會丟失。

閃存應(yīng)用

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※資料來源:公開資料、編寫單位提供

閃存芯片內(nèi)部分為LUN(邏輯單元), PLANE(平面), BLOCK(區(qū)塊), PAGE(頁);一個(gè)封裝好的閃存芯片可能包含若干個(gè)LUN(邏輯單元);一個(gè)PLANE(平面)就是一個(gè)存儲矩陣,包含若干個(gè)BLOCK(區(qū)塊);BLOCK(區(qū)塊)是閃存的最小擦除單位,一個(gè)BLOCK(區(qū)塊)包含了若干個(gè)PAGE(頁);PAGE(頁)是閃存的最小讀寫單位,一個(gè)PAGE(頁)包含若干個(gè)BYTE(字節(jié))。

閃存陣列結(jié)構(gòu)

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※資料來源:公開資料、編寫單位提供

(1)基本要求

基本要求

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(2)功耗要求

目的:閃存功耗過大會導(dǎo)致芯片過熱,影響能量消耗和用戶體驗(yàn)。

描述:閃存需要保證在以下不同的工作模式以及待機(jī)模式下,功耗滿足產(chǎn)品手冊的要求,參數(shù)如下:

ICC1/ICCQ1:閃存進(jìn)行讀操作過程中的電流

ICC2/ICCQ2:閃存進(jìn)行寫操作過程中的電流

ICC3/ICCQ3:閃存進(jìn)行擦操作過程中的電流
ICC4R/ICC4RQ/ICC4W/ICC4WQ:閃存進(jìn)行讀寫送數(shù)據(jù)的過程中的電流
ICC5/ICC5Q:閃存處于IDLE(閑置)狀態(tài)的電流
ISB/ISBQ:閃存處于STANDBY(待命)狀態(tài)的電流

(3)性能要求
目的:閃存產(chǎn)品的性能會直接影響用戶體驗(yàn),性能太差會導(dǎo)致系統(tǒng)長時(shí)間沒有反應(yīng)。

描述:閃存產(chǎn)品需要保證以下性能指標(biāo)滿足產(chǎn)品手冊要求。

① tProg:以PAGE(頁)為單位進(jìn)行PROGRAM(寫入)操作一次需要的時(shí)間。

② tR:以PAGE(頁)為單位進(jìn)行READ(讀)操作一次需要的時(shí)間。

③ tBERS:以BLOCK(分區(qū))為單位進(jìn)行ERASE(擦除)操作一次需要的時(shí)間。

④ IO Speed:數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾省?/span>

(4)可靠性要求

目的:閃存在實(shí)際使用中需要保證在生命周期內(nèi)各種環(huán)境條件下功能的完整性及數(shù)據(jù)的有效性。

描述:閃存可靠性主要體現(xiàn)在以下方面,具體要求見相應(yīng)的產(chǎn)品手冊。

①壽命:閃存有壽命限制,當(dāng)一個(gè)閃存塊接近或超出其最大擦寫次數(shù)時(shí),可能導(dǎo)致存儲單元永久性損傷,不能再使用。

②讀干擾:當(dāng)讀取閃存塊中的一個(gè)PAGE(頁)時(shí),閃存塊當(dāng)中未被選中的PAGE(頁)都會被相對較弱的進(jìn)行PROGRAM(寫入),隨著讀取次數(shù)的增加,從而最終導(dǎo)致這些PAGE(頁)中的數(shù)據(jù)變化,造成讀干擾。讀干擾不是永久性損傷,重新擦除后閃存還可以正常使用。

③電荷泄露:閃存中保存的數(shù)據(jù),如果長期不使用,會發(fā)生電荷泄露,導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。這同樣會導(dǎo)致非永久性損傷,擦出后后閃存還能正常使用。

汽車Nand存儲技術(shù)發(fā)展趨勢

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資料來源:鎧俠、信達(dá)證券

從車載存儲技術(shù)來看,以往車載NAND Flash存儲器多為eMMC,數(shù)據(jù)存儲用量提升后,性能更好的UFS存儲有望逐漸滲透。

國內(nèi)企業(yè)也有相關(guān)布局,以江波龍為例,在2021年就開始投入研發(fā)相關(guān)產(chǎn)品,預(yù)計(jì)在2022年下半年推出滿足AEC-Q100 Grade 2級別的FORESEE UFS 2.2產(chǎn)品,首次推出的產(chǎn)品容量為64GB-128GB(Operation Temp:-40~105度,Reliability:10ppm以下,Longevity:3年),支持LDPC算法、Write Booster、HPB、緊急斷電保護(hù)、FFU升級、FBA數(shù)據(jù)加速等功能。未來,F(xiàn)ORESEE 車規(guī)級UFS將重點(diǎn)在車載駕駛域和駕艙域進(jìn)行產(chǎn)品推廣,以滿足客戶對大容量和高數(shù)據(jù)傳輸速度的要求。
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3. DRAM芯片

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動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲器(DRAM)作為存儲單元,由一個(gè)MOSFET和一個(gè)電容組成,DRAM存儲芯片上布滿存儲電路,存儲電路主要由一個(gè)個(gè)存儲單元組成存儲陣列,陣列密度決定存儲密度,DDR是由固態(tài)技術(shù)協(xié)會( JEDEC )制定的DRAM內(nèi)存標(biāo)準(zhǔn),目前市場上主要產(chǎn)品為DDR4。由于每一代DDR都需要平臺支持,短期難以替換之前的DDR產(chǎn)品。市場格局上,主要為國外及中國臺灣企業(yè),國產(chǎn)企業(yè)占比相對較低。

DRAM芯片市場格局

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※資料來源:公開資料、編寫單位提供

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4. 市場格局

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存儲器市場競爭格局較為集中,三星、鎂光、海力士、鎧俠長期處于行業(yè)主導(dǎo)地位,而在車載領(lǐng)域,存儲產(chǎn)品不具生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化特點(diǎn),而且對成本敏感性較低,因此競爭格局有所不同,幾大行業(yè)龍頭中僅鎂光有所投入,根據(jù)開源證券的研報(bào)數(shù)據(jù),鎂光近年來在車載易失性存儲領(lǐng)域第一名,市場份額超過40%,北京矽成(北京君正)位居行業(yè)第二名,市場份額約為15%,南亞科技、三星電子、SK海力士、賽普拉斯等位居其后,但由于車載市場的快速發(fā)展,傳感器復(fù)雜度的不斷提升,車載存儲器這一領(lǐng)域正在成為各大巨頭們的新增長關(guān)注點(diǎn),也是國產(chǎn)企業(yè)重點(diǎn)攻克應(yīng)用領(lǐng)域之一。
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5. 國產(chǎn)存儲類芯片發(fā)展情況

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存儲類芯片在汽車的前裝市場、后裝市場都有應(yīng)用,主要應(yīng)用產(chǎn)品包括車載中控、車載后視鏡、車載導(dǎo)航儀、行車記錄儀等,國際主流品牌有鎂光、海力士、三星、東芝等廠商,國內(nèi)的供應(yīng)商主要有北京君正、兆易創(chuàng)新、長江存儲、紫光等。
部分國內(nèi)企業(yè)上車情況如下表所示:
(1)DRAM

國產(chǎn)DRAM發(fā)展情況

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圖片※資料來源:公開資料、編寫單位提供

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