サムスン12nmクラスのオートモーティブLPDDR5X：集中型自動車システムのための高性能、高信頼性DRAMソリューション

今日、自動車産業はエレクトロニクスアーキテクチャ変革の重要な転換点に立っています。この変化の原動力は何でしょうか？簡単に言えば、数十年にわたって使用されてきた従来の分散型アーキテクチャは、新しいシステムで発生する膨大な量のデータを処理するのには適しておらず、ソフトウェア定義機能をサポートできません。

では、解決策は何でしょうか？それはまさに集中型アーキテクチャです。集中型アーキテクチャは、分散型およびドメインアーキテクチャ（ADAS、IVIなど）で車両全体に分離されたさまざまな機能を単一の集中型モジュールに統合します。システムが互いに分離される代わりに、車両の領域内のすべての機能がゾーンゲートウェイに接続されます。そして、各ゲートウェイは、マルチギガビットイーサネットチャネルを介して他のゾーンゲートウェイと高性能集中型SoCに接続されます。集中型アーキテクチャの詳細については、以前の技術ブログで確認できます。

集中型アーキテクチャは、性能向上に加えて、コスト上の利点があります。まず、すべての機能に共通のイーサネットバックボーンを使用すると、各機能またはドメインに必要な専用ケーブルハーネスが不要になります。次に、機能が集中型SoCに統合されるため、SoCとECUの総数が減少します。集中型アーキテクチャを備えた車両は、SoCとECUの数が20％少なく、ハードウェアと材料のコストが10％低いと推定されています。 ¹

この他にも、集中型アーキテクチャは、ブレーキや衝突防止といったセーフティクリティカルな機能を実行します。これらのアプリケーションには、過酷な環境条件下でデータの整合性と安定性を保証するための特別な安全要件が必要です。極端な温度や機械的ストレスに耐えることは、安全と直結する自動車機能を駆動する上で不可欠です。また、機能が統合された集中型アーキテクチャ設計では、メモリはこれまで分離されていた機能間で共有されるリソースです。したがって、メモリは各機能に必要な安全レベルをすべてサポートする必要があります。

このような変化は、システムメモリの要件に大きな影響を与えるでしょう。もともと携帯電話用に開発されたLPDDR DRAMは、その低消費電力および高性能特性により、自動車集中型アーキテクチャに適したソリューションです。自動運転機能を通じてより多くの量のデータが生成されるにつれて、より速い速度で膨大な量の車両データを処理するには、高帯域幅LPDDRメモリが必要になるからです。

LPDDR5X

サムスンはこの度、最先端12nmクラスの技術ノードで製造され、競争力のあるセルサイズ²を備えた最新の車載用LPDDR5Xを発売しました。オートモーティブポートフォリオに新たに追加されたこの製品は、形状、フィット、および機能の面で従来のLPDDR5/5X製品との互換性を維持しながら、より高い性能と電力効率を提供します。

高性能と高信頼性の両方を備えたLPDDR5Xは、今日のオートモーティブSoCに適した理想的な製品です。サムスンのオートモーティブLPDDR5Xは、最大9600Mbpsのデータ処理速度と3GBから24GBに及ぶ多様な容量を提供しています。また、従来の441F FBGAソリューションよりも50％小さい新しい561F FBGAを含め、3つの異なるJEDEC標準FBGAパッケージを提供します。また、12nmクラスのオートモーティブLPDDR5Xは、最高レベルの自動車安全水準であるASIL-DシステムとISO 26262規格に準拠する非常に厳しい自動車アプリケーション機能のために設計・開発されました。オートモーティブLPDDR5Xは自動車市場を対象としているため、AEC-Q100認証およびGrade 1温度範囲（-40℃〜+125℃）もサポートします。

性能

集中型アーキテクチャで機能を統合するには、少なくともこれまで分離されていたシステムの統合ワークロードをサポートするSoCが必要になります。同時に、システム設計者は、ソフトウェアで定義された車両において、車両の寿命が尽きるまで新たに導入される機能とアプリケーションに対応できるよう、ハードウェアも「将来に備えて」おく必要があります。今日、オートモーティブSoCサプライヤーは、ますます強力なプロセッサを導入してこれを解決しています。一部のオートモーティブSoCは最大1,000TOPSをサポートしており、最大のSoC性能を達成するには高性能メモリが不可欠です。

9600Mbpsの性能は、単一I/O基準です。今日、ほとんどのSoCは256ビットのバス幅を持っており、これは12nmクラスのLPDDR5XがSoCに対して307.2GB/sのメモリ帯域幅をサポートすることを意味します。他のメモリインターフェースはより高いI/O帯域幅を提供できますが、通常、ビットあたりプレミアムコストが発生し、場合によってはより高い組み立てコストが発生します。

安全

セーフティクリティカルなシステム要件を解決するために、OEM、Tier 1サプライヤー、および部品サプライヤーは、自動車エレクトロニクスシステムの機能安全に関するISO 26262規格に準拠しています。ISO 26262は、ライフサイクル全体を通じて自動車システムに関連する安全リスクを管理するための包括的なフレームワークを提供します。この規格は、リスク分析、リスク評価、安全目標および要件の開発を含め、機能安全を達成するためのプロセス、活動、および要件を包括的にカバーしています。

ISO 26262認証は、機能安全管理プロセスおよび製品レベルでそれぞれ行われます。まず、機能安全管理プロセス認証は、該当する組織が製品のライフサイクルを通して部品のリスク評価を解決するためのプロセスを備えていることを意味します。サムスンは、国際的な第三者テスト、検査、および認証会社であるTÜV Rheinlandを通じて2019年にISO 26262認証を取得しました。

製品レベルでは、各企業は製品が計画、設計、および生産から寿命終了に至るまで、機能安全に基づいて構想され、開発されたことを文書化を通じて立証する必要があります。その後、製品はFIT（failures in time）で測定された任意のハードウェアエラーに基づいて、電気および電子システムのASIL（Automotive Safety Integrity Level）等級を獲得します。

* FIT（Failtures in time）：10億時間あたりに発生した故障回数

ASIL等級は、最も低いリスクレベルであるASIL-Aから最も高いリスクレベルであるASIL-Dまで4つのレベルで定義されます。

ADASまたはADシステムには、ブレーキシステム、クルーズコントロール、およびビジョンADAS後方カメラを含め、表に記載されている複数の機能が含まれています。これらの各機能は安全レベルが異なりますが、これらの機能をサポートする中央コンピューティングモジュールで使用されるコンポーネントは、すべての安全要件を満たすために最も高い安全レベル（ASIL-D）をサポートする必要があります。

サムスンのオートモーティブLPDDR5Xは、初期計画段階から自動車システムの最も高い安全要件を満たすように開発されました。ASIL-DはISO 26262で定義された初期リスクの最も高い分類であり、生命を脅かすまたは致命的な負傷を意味するため、ASIL-D認証の安全目標を満たすには最高レベルの安全保証が必要です。オートモーティブLPDDR5Xは、ホストがシングルビットエラーに対する自己修正とマルチビットエラーに対する自己検出を実行するISO 26262 SEooC（Safety Element out of Context）の概念を使用して開発されており、ASIL-D級の高い機能安全レベルを達成すると予想されます。

小型パッケージ

上で述べたように、オートモーティブLPDDR5Xは3つのJEDEC標準パッケージで提供されます。x32バスをサポートする315F FBGAとx64バスをサポートする441F FBGAがあり、x64バスインターフェースを備えた新しい561F FBGAも提供されています。8mm x 12.4mm（99.2mm²）の561F FBGAは、14mm x 14mm（196mm²）の441F FBGAよりも約50％小さくなっています。

集中型アーキテクチャは、自動車の温度範囲で動作するためにより高い性能のメモリが必要になるため、信号の整合性が重要です。信号ルーティングは、PCB材料やコンポーネント仕様を含むさまざまな要因によって異なりますが、一般的にトレース長を最小限に抑えると、干渉やクロストークが減少し、信号の整合性が向上します。小型の561F FBGAの利点は、パッケージをSoCに物理的に近づけることで信号トレースをより短くし、信号の整合性を高めることができることです。

また、561Fパッケージは、サイズとボールピッチが小さいため、MCM（Multi-chip Module）統合に適しています。これは、SoCとメモリを含む複数のICが電気的性能の最適化のために小さな基板に配置されることを意味します。信号の整合性向上に加えて、MCMでICが近接していると、通信チャネルが近くなり、遅延が最小限に抑えられ、性能が向上するという利点があります。

561F FBGAのようなJEDEC標準パッケージでの設計は、単一のPCBレイアウトを提供するため、自動車業界の顧客はメモリ容量を増減して各トリム/モデルの機能をコスト効率よく調整することができます。また、産業貿易機構に基づいたパッケージは、顧客が単一ソースから設計するのではなく、複数のサプライヤーから選択できるため、サプライチェーンの安定性に不可欠です。

未来を設計する原動力

自動車サプライヤーやメーカーが革新を重ねるにつれて、信頼性と高性能を同時に備えたメモリソリューションに対する必要性が日々高まっています。機能およびコンピューティング集約的システム（ADAS/IVI）が集中型アーキテクチャに統合されるにつれて、オンボードコンピューティング要件は幾何級数的に増加し、今後も増加し続けるでしょう。これにより、リアルタイムデータ処理要件を満たす高帯域幅、低電力DRAMソリューションに対する要求も増え続けています。

数十年にわたり、サムスンはデータセンター、モバイル、IoT、および家電製品向けのメモリソリューションの主要サプライヤーの1つであり、今や自動車業界にも信頼と革新を提供しています。サムスンの幅広いオートモーティブメモリポートフォリオは、高い欠陥カバレッジ、強化された安全メカニズム、信頼性、そして妥協のない品質を備えたソリューションで、機能安全目標を達成しようとする顧客に自信を持ってアプローチしています。

^{1. https://www.mckinsey.com/~/media/mckinsey/industries/automotive%20and%20assembly/our%20insights/mapping%20the%20automotive%20software%20and%20electronics%20landscape%20through%202030/outlook%20on%20the%20automotive%20software%20and%20electronics%20market%20through%202030/automotive-software-and-electronics-2030-full-report.pdf}

^{2. https://library.techinsights.com/public/sectioned-blog-viewer/a0e24d07-f721-4346-a58c-73786f397dbd?b=banner3}