划重点
01随着汽车软件定义时代的到来，无缝OTA升级成为汽车厂商和MCU厂商关注的关键点。
02目前，传统eFlash存储技术在汽车MCU中面临诸多挑战，如制程限制、可靠性问题等。
03为此，各大MCU厂商纷纷寻求新型存储技术，如eMRAM、eRRAM、ePCM等，以提高性能、降低功耗和节约成本。
04其中，英飞凌、意法半导体和恩智浦等厂商已在相关领域取得突破，推进相关技术的量产应用。
05未来，新兴存储技术有望彻底改变汽车OTA，但成本增加将成为关键因素。
以上内容由腾讯混元大模型生成，仅供参考
众所周知，现在是“软件定义汽车（SDV）时代”，这种情况下，不断更新软件异常重要。但汽车不像我们手中的手机，停车更新，实在有点烦人，也有一定风险。
就比如，前阵子，西安一市民购置的46万的新能源汽车，在行驶途中系统突然升级停在街头。因为车主手动在屏幕上选定5分钟后启动升级的选项，随后锁车并切断车辆电源，径直离开了车辆。待预约时间一到，鉴于车内无人值守，触发了汽车升级的所有条件均，车辆便自动触发了OTA升级流程，进而引发了停机。
所以，很多汽车厂商和MCU厂商都在讲“无缝OTA”这样一个概念，不断推出颠覆性的产品，为区域和域架构构建快速且无需应用程序停机即可工作的OTA固件升级功能。下面我们就从OTA的基础知识讲起。
付斌｜作者
汽车开发圈｜出品
第一部分：OTA存在的挑战
汽车OTA（Over-the-air，空中下载技术）是指通过移动或蜂窝网络下载应用程序、服务和配置的能力。OTA用于自动更新固件、软件甚至加密密钥。在嵌入式系统中，运行这些软件的设备通常是MCU。OTA类别包括：
软件更新Software over-the-air (SOTA)
固件更新Firmware-over-the-air (FOTA)
远程服务配置Over-the-air service provisioning (OTASP)
远程功能配置Over-the-air provisioning (OTAP)
参数管理Over-the-air parameter administration (OTAPA)
OTA更新可以分为两个主要类别：信息娱乐和驾驶控制。信息娱乐的更新包括地图信息、音频功能，并优化用户界面、流媒体服务和应用程序，这些更新虽然能显著改善车内体验，但相对来说并非关键任务，所以比较简单；驾驶控制更新通常包括动力总成系统、底盘系统、制动器和高级驾驶员辅助系统（ADAS）系统增强或修复，这些更新直接影响车辆安全高效运行能力，通常被认为是关键或必需的。
对于OTA来说，有三个比较麻烦的问题：
一是存储。软件解决方案必须将新的软件应用程序组织到客户端设备的易失性或非易失性存储器中，以便在更新过程完成时可以执行。为了防止更新出现错误，也必须确保将软件先前版本保留为后备应用程序，以防新软件出现问题。此外，必须在重置和重启之间保留客户端设备状态，例如当前运行软件版本以及它在内存中的位置。
二是传输。新软件必须以离散数据包形式从服务器发送到客户端，每个数据包都针对客户端内存中特定地址。在软件设计中，必须考虑打包方案、数据包结构和用于传输数据的协议。
三是安全。在软件从服务器传输到客户端时，必须确保服务器是可信的，这需要身份验证。同时，为保护敏感信息，软件内容应进行加密，确保机密性。
软件应用程序的二进制转换和打包过程
在本文，我们先聚焦这第一个最基础的问题——OTA的存储问题。
第二部分：目前主流的存储策略
成功完成OTA更新的关键因素是目标ECU中的存储分区：存储必须提供一种方法，以便在正常执行期间（可能在多个驾驶周期内）缓存软件更新。目前典型的OTA方法包括以下几种：
传统Bootloader方式
这种方式的升级方法对于Flash的需求量比较小，但是缺点也很明显。因为Bootloader过程中，我们不能使用任何功能，也不能回滚，同时ECU无法操作的风险也很大。现在，很多公司都在追求无缝的车机OTA升级。
A/B面交换法
具有A/B交换功能的MCU将其内部内存划分为两个分区（也称为 bank）。这两个分区可以交替分配统一的执行地址，因此，通过这种机制，编译链接后的映像可以在两个不同的物理位置执行。当前哪个分区（A或B）处于活动状态，通常会保存在硬件寄存器中，或者在每次重启时由软件进行设置。因此，只需重启控制器即可实现分区切换。在激活阶段，ECU几乎没有停机时间。
下图展示了一个带有A/B分区切换的系统示例。物理地址范围0xA00000 - 0xC00000在切换后可以通过0x00000 - 0x20000范围进行读取和执行。
A/B面的优点在于始终拥有两个版本的Firmware在Flash中，也就是说始终拥有一个可以运行的Firmware，可以进行版本的回滚，无论更新出现什么错误，车机都不会停机。当然，这对于Flash需求量比较大。
双二进制法
在双二进制法中，应用程序的软件版本会分别针对A分区和B分区的地址进行构建。这意味着每次软件更新都包含两个不同的二进制文件。只有适用于当前非活动分区的数据会被下载。因此，在应用更新之前，系统需要根据活动分区选择正确的数据进行更新。不过，这种方案对汽车制造商的软件工程带来了巨大影响，因为他们需要为每个软件版本维护和管理两个版本。下图展示了双二进制方法中的场景示例。
带备份的缓存方法
如果既没有硬件支持地址范围切换，也不考虑双二进制法，仍然可以采用一种通用方式——缓存备份方法。该方法只需要一个与活动分区无关的缓存。显然，这个缓存需要足够大，以存储两份软件版本。想要使用这种方法需要满足一定要求：内部闪存至少有两个RWW（Read-While-Write）分区，其中未用于执行的分区可以存储两个软件状态；或者提供额外外部内存来存储两个软件状态。
下图展示了带有备份的缓存方法示例。与其他基于内部闪存的方法相比，这种方法硬件选择自由度很高，但也有明显缺点：更长的激活时间。使用外部内存对于那些需要增加软件下载功能的现有ECU项目尤其具有优势。
第三部分：传统eFlash的问题
其实，从上面我们可以看出，如果要改变汽车OTA，要从存储器入手。在一款MCU中，主要包括四种存储器：
缓存：靠近核内的小型存储器，可以提升MCU取指或者读数据的性能；
SRAM：提高整体系统效率，属于高密度存储器，掉电数据丢失，价格较高；
密钥存储存储器：用于存储芯片ID、安全代码、SRAM 修复签名或模拟电路调试信息的小型 NVM。常见的如ROM、OTP存储器或eFuses；
程序、数据存储：大容量NVM（Non-Volatile Memory）用于存储代码和数据，掉电不丢失。eFlash是最主流最首要的选择。
有工程师说过：“买Flash送MCU，可见eFlash对于MCU的重要程度，相较于片外Flash，eFlash运行效率更高。”不过，现在eFlash技术几近停滞状态，主要参与者包括台积电（40nm）、联电（28nm）、三星（45nm）以及意法半导体、英飞凌这种老牌IDM。虽然大多厂商都或多或少尝试过28nm/22nm以及更高制程，不过几乎很难用在MCU上。
所以，业界就在找更多替代方案。总结起来，传统集成在MCU中的嵌入式闪存（eFlash）有四点劣势：
第一，eFlash限制了MCU的制程。制造28nm及以下的eFlash需要9～12层甚至更多层掩模，40nm以上eFlash最少只需要4层掩模，而对比起来eMRAM这种新型存储只需要3层额外掩模。要知道，MCU总共就四五十层，十多层的成本明显是与MCU不匹配的。所以，制造28nm以下的eFlash是不具备性价比的，更何况是要放进追求极致性价比的MCU。
第二，更高的eFlash工艺节点会带来可靠性问题。随着器件规模超过40nm，eFlash系统的可靠性不仅受到eFlash存储单元的限制，还受到外围晶体管和金属互连的限制。随着晶体管器件中和金属互连之间的氧化膜越来越薄，其瞬态介电击穿 （TDDB） 寿命严重下降，这对先进的 eFlash 设计提出了巨大挑战。要知道，eFlash本身正因为其极强的可靠性，才会占据MCU半壁江山，这等于是消除把它最大的优点。
第三，难以与先进的逻辑工艺集成。比如说高k金属栅、FD-SOI、FinFET将对eFlash结构和CMOS兼容性产生影响，相反，新型存储例如MRAM、RRAM，结构几乎不受低层CMOS结构影响。再比如，SONOS、纳米点、减薄浮动栅极等薄膜存储结构技术在28nm以上节点更具优势。
第四，eFlash面对高算力时力不从心。比如说，eFlash一直是高密度、片上非易失性内存（NVM）的一个常规和主要来源，但是对小型电池供电应用来说，eFlash会占用太多的系统功耗预算。再比如，仅支持页面/块级擦除，无法进行字节写入，因而成为昂贵的高功率解决方案。又比如，在汽车应用中，集成到板载MCU中的eFlash的可重写次数太少，随着每次写入和擦除周期，浮栅NOR单元中的隧道氧化物会退化，漏电会增加，从而加速eFlash的老化。
第四部分：各大MCU厂商面对OTA的“新招”
从汽车MCU片上闪存的性能和容量趋势来看，整体MCU的性能要求在10年内增长了约20倍，每年35%，这是由架构演进，如高速缓存存储器的使用和多核CPU的实现，eFlash速度提高支持。器件扩展可靠性设计等。与此同时，片上ROM容量以每年23%的速度增长。但在现有增长下，eFlash越来越力不从心。
所以厂商们纷纷寻求解药，那就是新型存储——潜在技术包括eMRAM、eRRAM（eReRAM）、ePCM、eFeRAM。这些技术能够显著提高MCU性能，降低整体功耗。目前，市场共有三种新型存储器已经开始用在MCU内——RRAM（阻变存储）、MRAM/STT-MRAM（磁性存储器）、PCM（PCRAM，相变存储器）：
PCM（PCRAM，相变存储器）：意法半导体是主要推进者，意法半导体此前与三星合作的为28nm FD-SOI ePCM，最近则升级到18nm FD-SOI ePCM；
RRAM（阻变存储）：英飞凌是在这条路线上的最大玩家，英飞凌与台积电合作的为28nm eRRAM；
MRAM/STT-MRAM（磁性存储器）：瑞萨和恩智浦是主要推进者，恩智浦与台积电合作的为16nm FinFET eMRAM，瑞萨开发的则是22nm eSTT-MRAM。
ST：主推相变存储器方案
2022年9月，意法半导体全新推出Stellar P 系列车规MCU，Stellar P6由意法半导体自营晶圆厂制造，采用高能效28nm FD-SOI技术，内嵌容量高达20 MB的相变（非易失性）存储器(PCM)。意法半导体介绍，Stellar P6由意法半导体自营晶圆厂制造，采用高能效28nm FD-SOI技术，内嵌容量高达20MB的相变（非易失性）存储器（PCM）。根据ST的说法，这项技术改变了无线（OTA）更新的过程——即PCM能够支持不间断的OTA更新。
PCM存储器的每个逻辑位有两个物理单元，它们可以协同工作。在OTA固件升级时，第二个物理单元可以存储新数据，而不需要存储反向数据，这种配置称为单端模式（single-ended mode）。这种设计使得PCM在升级过程中可以继续执行现有固件，避免了停机时间，并且可以在出现错误时回滚固件。
PCM 在正常操作期间的工作原理
PCM 在 OTA 固件升级期间的工作方式
第四，这样的好处都有啥？第一，PCM单元尺寸相比其他嵌入式非易失性存储技术要小得多。与其他架构相比，两个物理单元并不需要将物理空间翻倍；第二，现有固件可以在OTA升级期间继续执行，新软件下载不会干扰 MCU 上已经运行的应用程序代码，从而确保更新过程中的持续性能。同样重要的是，升级过程中保留了现有固件，系统在出现错误时可以回滚固件。一旦 OTA 固件升级过程完成，PCM 会恢复到差分模式；第三，由于在写入之前无需执行擦除操作，PCM 提供比NOR闪存更快的写入操作；第四，PCM 还可以支持传统的A/B交换/双映像的实施，前提是在OTA升级过程之后也需要维护这两个映像。
ST的PCM采用锗锑碲 (GST) 合金制造而成。其在制造过程中利用了材料可在非晶态和结晶态之间进行快速热控制变化的物理特性。上述状态分别与逻辑0和逻辑1相对应，可通过非晶态（逻辑0）的高电阻和结晶态（逻辑1）的低电阻进行电气区分。PCM支持在低电压下进行读写操作，且与Flash和其他嵌入式存储器技术相比，具有多项实质性的优势。
英飞凌：看好RRAM技术
2021年底英飞凌宣布推出TC4XX系列；2022年11月和台积电完成RRAM的量产研发；2023年将RRAM和逻辑器件结合，今年年初正式量产。
根据英飞凌的介绍，市场上的大多数MCU系列均采用嵌入式闪存技术。作为下一代嵌入式存储器，RRAM可以进一步扩展至28nm及以下。
RRAM具有很高的抗干扰性，并且允许在不需要擦除的情况下进行逐位写入，其耐久性和数据保持性能堪比闪存技术。引入RRAM将为MCU的提高性能、减少功耗和节约成本以及进一步小型化创造了巨大的潜力。
RRAM的工作原理是通过改变夹在两个电极之间的开关材料的电阻来工作。在电极上施加偏置电压会形成细丝，使存储单元处于低电阻状态 （LRS）。施加反向偏置会使灯丝破裂，从而产生高电阻状态 （HRS）。LRS和HRS表示1和0，并且该过程是可重复的。
NXP：用MRAM在3秒更新20MB代码
恩智浦继续发扬飞思卡尔（FreeScale）的MRAM技术，2023年5月，恩智浦与台积电推出汽车级16nm的FinFET工艺的MRAM，恩智浦下一代MCU将会采取此项技术，预计在2024年底或2025年初量产。
恩智浦介绍，Flash存储器更新20MB的代码需要约1分钟时间，而MRAM只需3秒左右，最大限度地缩短软件更新带来的停机时间，汽车厂商能够消除模块长时间编程引起的瓶颈。此外，MRAM提供多达一百万个更新周期，耐久性超过闪存和其他新兴存储器技术的十倍，为汽车失效缺陷提供高度可靠的技术。随着基于软件的功能在车辆中越来越广泛，更新频率将增加，MRAM的速度和稳健性将变得更加重要。
TSMC的16nm FinFET嵌入式MRAM技术具有100万次循环的耐久性、对焊料回流的支持以及在150°C下20年的数据保留，超越了汽车应用的严格要求。
磁电存储器的核心原理是利用材料的磁阻效应，即材料的电阻会随着外部磁场的变化而变化。在MRAM中，数据以“磁位”的形式存储在磁性隧道结（MTJ）中，每个MTJ由两层磁性材料和一个非磁性绝缘层组成。这两层磁性材料的磁化方向可以是平行的（低电阻状态，代表二进制中的“0”）或反平行的（高电阻状态，代表二进制中的“1”）。通过改变电流方向和大小，可以改变其中一个磁性层的磁化方向，从而实现数据的写入和读取。
瑞萨：推进STT-MRAM技术
2022年6月瑞萨在VLSI大会上宣布推出STT-MRAM的22纳米制造工艺技术；ISSCC 2024上，瑞萨宣布已开发出用于嵌入式自旋转移矩磁阻随机存取存储器（STT-MRAM）的电路技术，具有快速读写操作的测试芯片。
根据瑞萨的介绍，采用22nm嵌入式MRAM工艺制造了具有10.8 Mbit MRAM存储单元阵列的原型MCU测试芯片。对原型芯片的评估证实，在125°C的最高结温下实现了超过200MHz的随机读取访问频率和10.4 MB/s的写入吞吐量。
结语：OTA会变天吗？
可以看出，在将MCU中的嵌入式存储变为新兴存储后，OTA升级更加无缝，速度更快。从市场角度来看，用于MCU的嵌入式NVM增速也很快。
Yole数据显示，嵌入式新兴 NVM 晶圆产量从 2023 年的约 3 KWPM 增长到2029 年的约 110 KWPM (CAGR23-29~80%)。就收入而言，我们估计嵌入式市场到 2029 年可能达到约26亿美元，其中三种主要的 eNVM 技术具有类似的增长潜力。
预计到 2029 年将占嵌入式新兴 NVM 收入的 80% 以上。采用新兴eNVM的MCU晶圆数量将非常迅速增长，从 2023年的不足1 KWPM 2029 年达到47 KWPM (CAGR23-29~124%)。
除了新兴存储路线，很多厂商也在选择加大eFlash的容量。另外，据“ 汽车MCU软件设计”的说法，最近几年新出的国产MCU普遍都会把A\B Swap硬件特性作为一个需求进行实现，比如，旗芯微FC4150 、云途YTM32B1MD 这两块板子，为汽车ECU软件升级和回滚机制做准备，从原理上看起来是比较清晰的，设计和使用起来也比较方便。
不过，相对来说，新兴存储技术潜力肯定更高，毕竟不光是速度，其在结构、寿命以及各种方面也拥有一定的优势，这种全面创新也能够彻底改变汽车OTA。
当然，这种改变一定会加大MCU的成本，最终成本和收益有多大，不光要看最终新兴存储能在未来降低多少成本，还要看车企的权衡利弊了。喜欢我们的文章吗？欢迎在wx关注我们的订阅号：汽车开发圈（ID：AutoDevelopers），浏览更多汽车电子相关内容。