汽車安全系統在未來數年間將變得越來越精密。推動這一重要趨勢的技術將會同時衝擊安全氣囊系統的資料捕捉率、精密度以及控制系統的穩定性，而隨著這些系統中電子資訊內容的增加與創新，對半導體記憶體使用的依存度也越來越高。
目前汽車安全氣囊系統引入了兩項主要的創新技術。首先，新型的安全氣囊系統增加了「智慧性」。不同於以往系統一律採用最大的展開力，彷彿所有的事故和乘客都是如出一轍；新系統是根據事故和乘客的具體參數來決定氣囊的展開力度，這些參數可能包括碰撞的嚴重程度、乘客的體重和座椅相對氣囊的位置等。
這種可變的展開力將大受那些曾被普通安全氣囊衝擊而造成不愉快經驗人士的歡迎；智慧型氣囊還能識別乘客座椅是否空置，以決定須不須要展開乘客安全氣囊。考慮到每輛車的安全氣囊數目有增無減，加上即使發生小事故也必須更換的成本支出，這種創新技術將有助於用戶省下相當可觀的維修和保險成本。
其次，越來越多的車輛安裝了事故資料記錄儀(EDR)，用來收集碰撞相關的資訊，類似於飛機的「黑盒子」。EDR功能一般被包含在安全氣囊電子控制單元(ECU)中。這種配置很自然，因為EDR沒有飛機黑盒子的那種存活性要求，安全氣囊控制器主要是接收各個重要感測器的輸入資訊，而車輛製造商也指出沒有空間安裝獨立式的EDR。
這兩種安全氣囊儲存應用都有記憶體需求，但彼此差異很大。有鑑於在嚴重事故中，系統可能出現斷電的情況，因此需要非揮發性記憶體，事故重建意味著事故前後的相關資料必須儲存在系統可寫入的可靠的非揮發性記憶體中。
安全氣囊反應不該一成不變
在「智慧安全氣囊」系統上，ECU設計人員希望針對具體的事故採用合適的展開力，這不僅須加速資訊，同時也需要乘客資訊。新型的智慧安全氣囊系統對記憶體有獨特的要求，須把直到事故發生前的乘客資訊都記錄下來，包括座椅位置和乘客體重；為了在事故之前能夠獲得有關乘客情況的可靠紀錄，就必須連續儲存資訊。送往安全氣囊ECU的參數資料是由車輛內部的加速感測器和感應器產生的，這種連續儲存須比傳統快閃記憶體寫入更頻繁的記憶體技術。
EDR技術的關鍵在於所需的資料量及儲存這些資料所需的時間，新的規範將大大擴展須要採集的資料。當發生嚴重事故時，極有可能出現斷電；對於這種情況，EDR系統必須趕在系統電源失去之前把資料保存下來。事故中，供電可能會突然失去，而傳統的非揮發性儲存解決方案需要很長的時間來對新資訊進行寫入。非揮發性鐵電記憶體(F-RAM)便提供了能解決上述需求的技術能力，它和其他非揮發性方案一樣都能提供可靠的非揮發性儲存能力，特別出眾之處在於它的可讀寫次數非常多，寫入速度也極快。
安全氣囊應用中最常選用帶有序列周邊介面(SPI)的5伏特工作電壓F-RAM記憶體。這些元件具有超過一萬億次的擦寫次數，足以讓智慧安全氣囊連續寫入，以提供無縫的乘客資料紀錄。這些元件也可以在匯流排介面速度下進行寫操作，速度可以從5M～20MHz搭配無延遲寫入操作，能讓主處理器盡快儲存資料，幾乎沒有資訊丟失的風險。F-RAM具備的非揮發性特點、無限擦寫次數，以及快速資料寫入能力，是下一代安全氣囊系統的理想記憶體。
資料處理及儲存不容有失
以前汽車應用中所用的主要非揮發性儲存技術是浮動閘門元件，例如電氣可擦拭/可編程唯讀記憶體(EEPROM)或快閃記憶體。浮閘元件透過一層二氧化矽(SiO2)薄膜把多晶矽閘與溝槽隔離開來。要對元件進行編程，須在控制閘上產生很高的電壓，使電子獲得足夠動能穿透隔離層，將電子(N通道元件)加速到源極(圖1)。
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圖1 通道中形成了一個消耗區，在特定的閘極電壓下，已被編程的部分被置於「off」(高阻抗)，而沒有被編程或沒有被擦寫的元件為「on」(低阻抗)。 |
隨著汽車設計要求的複雜性日益增加，浮閘儲存技術的局限性越來越明顯。例如，它的編程處理需要數毫秒(ms)時間，這對高安全性的應用來說已是非常長的時間；在碰撞事件中，電源迅速丟失，幾乎沒有資訊能夠及時保存到浮閘元件中。
編程處理還對隔離層具有破壞性，因此這類元件的擦寫次數很有限，一般在十至一百萬次之間。就乘客感測器而言，資料更新的次數即使是對上限一百萬次來說也太頻繁了。對於一般的每秒一次的寫入速度要求，浮閘元件使用不到12天就會達到使用壽命。若是把資料緩衝到隨機存取記憶體(RAM)中，在斷電時再寫入到浮閘非揮發性記憶體中，又會在EDR中產生寫入速度問題，因此並非真正有效的解決方案。
在智慧安全氣囊系統中，不僅須儲存碰撞事故中的資料，還要儲存事故發生前的資料。利用滾動日誌來儲存碰撞前的資料是很理想的方法，但對浮閘記憶體而言，因為擦寫次數有限，已證實存在問題。由於安全氣囊模組具有很大的電容，以便儲存足夠的能量來啟動安全氣囊，故在事故發生之後可能有足夠的殘餘電量把緩衝器中的資料寫入到非揮發性記憶體中。能夠寫入的資料量取決於尚可用的電量，也即電容中的殘餘能量和記憶體的寫入速度。典型2KBytes浮閘記憶體的寫入速度可以達到約每5毫秒寫入4KBytes。因此，要寫入整個浮閘記憶體可能需要超過1秒以上的時間。
F-RAM能在斷電時安全儲存資料
F-RAM能提供極高的擦寫次數和速度，有效解決上述問題。Ramtron的F-RAM技術把鐵電材料和標準半導體晶片設計及製造技術結合在一起，推出了非揮發性記憶體和類比/混合訊號產品。這些產品具有快速讀/寫性能、幾乎無限的擦寫次數和靜態RAM(SRAM)的超低功耗，並在斷電時能安全儲存資料，這些都是標準RAM技術所無法提供的功能。
F-RAM單元採用業界標準互補金屬氧化半導體(CMOS)製程製造，通過兩個電極板之間的鐵電晶體來形成電容，類似於DRAM電容的構造。但是不像一般的揮發性記憶體把資料作為電容上的電荷來儲存，F-RAM是把資料儲存在鐵電晶體內。
當在鐵電晶體上施加一定電場時，晶陣的中心原子在電場作用下沿電場方向在晶體內運動，它通過一個能量壁壘(Energy Barrier)造成電荷尖峰。內部電路感測到這一電荷尖峰，並且設置記憶體；電場消失後，中心原子會保持在原來的位置，從而保存記憶體的狀態(圖2)。
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圖2 電場影響記憶體狀態 |
鐵電薄膜放在CMOS基層之上，並置於兩電極板之間，使用金屬互連並鈍化後完成鐵電製造過程(圖3)。F-RAM記憶體不須定期更新，斷電後仍然會保存資料。它的速度很快，而且沒有壽命限制。這些特性使它完全能夠以極小的時間間隔寫入資料，從而確保所保存狀態的正確性。例如，一個16 Kbits(2KBytes)的元件可以超低功耗在3.3毫秒內被寫入。另外，它能每秒更新一萬次(每100微秒寫一次)，工作壽命長達25,000小時。
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圖3 鐵電製造過程 |
韓國現代汽車(Hyundai Autonet)已決定在其下一代智慧安全氣囊系統中採用F-RAM，這正是F-RAM技術優勢被頂尖汽車系統供應商逐步接受並用於高安全性應用的有力明證。現代汽車是繼美國、亞洲、日本和歐洲八家汽車製造商之後，選用F-RAM技術來為智慧安全氣囊系統和相關的碰撞事故資料記錄儀提供「智慧性」的又一家知名公司。
(本文作者為Ramtron市場拓展及銷售資深副總裁)