高速、高耐久性の不揮発性メモリ「FRAM」がスマートエアバッグを実現する：高い安全性要求に応える
自動車の衝突事故時に人命を守るエアバッグだが昨今、誤作動が生じて大規模なリコールも発生した。そこで、より正確にエアバッグを作動させるべく、より多くのセンサーデータを取得して適切なエアバッグ制御を行うスマートエアバッグシステムの開発が進む。ただ、スマートエアバッグには、データを常にリアルタイムで記憶する不揮発性メモリが不可欠であり、実現のカギになっている。そこで、スマートエアバッグに適した不揮発性メモリとして「FRAM」を紹介する。
エアバッグに求められる2つの変化
FRAM（Ferroelectric-RAM／強誘電体RAM）には、産業コントロールシステム、産業オートメーション、ミッションクリティカルな宇宙分野、自動車システムなどを含む広範囲なアプリケーションがある。
特に自動車用安全システムは、今後数年間にわたって一層複雑化していくと予想される。このトレンドの基本的な推進力は、一層の強化が予想される規制であり、エアバッグや安全性制御システムの装着率とシステムの複雑化の両方に影響を及ぼすとみられる。本稿では、自動車用安全システムに不揮発性メモリ技術であるFRAMを利用する際に鍵となる技術的優位性について考察する。
“エアバッグ”システムには2つの大きな変化が起こり始めている。第1に、新らしく作られるエアバッグには全て、車内に乗車員がいるか、いないかを検知するためのスマートセンサーを備えていることだ。正確に射出しないエアバッグはことごとく、高いコスト（＝損害賠償や代替部材代、作業代など）で交換することになる。そこで、スマートセンサーにより乗車員の重量と有無を継続的に監視すれば、エアバッグが作動する力のバラツキ指標が得られる。これにより、エアバッグ起因の傷害を防ぐとともに、重大な衝突（事故）時に乗車員を守るのにも役立つ。
エアバッグ市場にみられる第2の重要な変化は、イベントデータレコーダー（Event Data Recorder／EDR）に事故直前の“実際の情報あるいはデータ”を収集することが必要になったことだ。これは事故後の関連訴訟／保険金請求に際し非常に役立つことになろう。EDR機能は通常、エアバッグ電子制御ユニット(ECU)に収納される。EDRが航空機ブラックボックス相当の残存性（データ保存性）を要求されないこと、またエアバッグコントローラーが各種の重要センサー入力の一次受信器であることから、ECUに搭載されるという仕分けは自然なことである。そして何より、車両にはEDRを単独のシステムとして組み込む余地がないという事情もある。
これら2つの要求が高耐久性と高速アクセス性を有するロバスト（堅ろう）な不揮発性メモリの必要性をもたらしている。“スマート”エアバッグの場合、設計者は衝突に応じて変化する力でエアバッグを膨らませたいと望む。この時、メモリに対する要求は、実際の座席配置および、乗車員の重量と有無／実際位置を頻繁に記録することだ。衝突に至る経緯を保持する場合には、メモリは少なくとも15〜20秒間の情報をデータロガーのローリングバッファに蓄えるに十分な容量を持たなければならない。一般的に自動車は30年間以上使用可能なように設計されているので、このメモリは高速書き込み、即応型の不揮発性および、超高耐久性が必要だ。
FRAMはこれらの要件にとても合致するメモリ技術だ。FRAMの主な優位性は、非常に高い書き込み耐性と書き込み速度にある。FRAMを使ったシステムは、追加のメモリ、あるいはウェアレベリング（書き換え回数の平準化）などの技術によるメモリ耐久性管理のためのオーバヘッドが必要なく、フルのバス速度で連続的にデータを保存できる。これは、FRAMがすぐに、簡便に書き込める不揮発性を有し、情報を蓄積するための余計なソーク時間を必要としないからだ。その書き込み耐性は1014（100兆）のオーダーである。これを106回（100万回）以下の耐性しかない大半のEEPROMやフラッシュメモリと比較してみよう。
エアバッグの設計
エアバッグシステムメーカーは、安全性を高める要求に応えるため、また、高い対価が必要なリコールを避けるため、座席に座る人間をモニターし記録するためのさまざまなセンサーを付加してきた。これらの中には乗車員専有圧力センサーが含まれ、これがエアバッグシステムの効果を高めるための各種位置センサーと一体となって、エアバッグサブシステムを作動させる。位置データは、継続して更新され、エアバッグ作動時点、さらには作動後まで保存されなければならない。位置データを継続して記録し、不揮発性メモリに保存することが要求されるので、高性能、低電力および、高耐久性のFRAMが理想的なソリューションになる。
| FRAM | EEPROM | NORフラッシュ | |
|---|---|---|---|
| SPI速度 | 25MHz | 10MHz | 75MHz |
| I2C速度 | 3.4MHz | 1MHz | — |
| 書き込み遅延 | 0ミリ秒 | 5ミリ秒 | 10ミリ秒 |
| 書き込み耐性 （サイクル） |
1013（10兆）回 | 106（100万）回 | 105（10万）回 |
| 10ミリ秒毎の 書き込み周期での寿命 |
3,171年 | 2.78時間 | 0.28時間 |
| アクティブ書き込み電流 | 5mA | 6mA | 15mA |
| 容量範囲 （AEC-Q100 125℃） |
4Kビット〜2Mビット | 1Kビット〜1Mビット | 1Mビット〜256Mビット |
フラッシュ／EEPROMなどのフローティングゲート技術の欠点
車載機器設計がますます複雑化する中で、フローティングゲート（浮遊ゲート）メモリ技術の欠点が一段と明白に制約を生んでいる。例えば、フローティングゲートをベースとするメモリのプログラミングプロセスには数ミリ秒が必要であり、これはセーフティクリティカルな用途では、あまりにも長すぎる処理時間である。車両が衝突して電源が急に遮断されれば、フローティングゲート型メモリに蓄積される情報はほとんどないだろう。
フローティングゲートメモリのプログラミングプロセスは、絶縁層に対して破壊的に作用しメモリセルを劣化させる。そのため、フローティングゲートメモリの書き込み耐性は10万回から100万回に制限されてきた。例えば、乗車員検知センサーでは、データ更新頻度がこの書き込み回数上限を上回る。1秒間当たり1回の書き込みという代表的な使用方法を想定すると、フローティングゲートメモリは、12日間以内で寿命が尽きる計算になる。RAMにデータをバッファし、次に、電力停止時用にフローティングゲート不揮発性メモリに書き込むことは、EDRの作動速度に問題を引き起こすので有効なソリューションではない。
スマートエアバッグシステムでは、衝突発生時のデータだけでなく、事故に先立っての衝突前データも保存することが望まれる。衝突前データを保存するためにはローリング記録を使用するのが理想的であるが、このアプローチをフローティングゲートメモリに適用するのは、耐久性の限界から問題のあることが証明されている。エアバッグモジュールには、エアバッグを発射するために十分なエネルギーを蓄える大容量キャパシターが備えられているので、導火線に点火した後（エアバッグ展開起動の後）でもバッファからのデータを書き込むためのエネルギーが十分に残っている必要がある。書き込み可能なデータ量は利用可能なエネルギー、つまりキャパシター内の残存エネルギーおよび、メモリ書き込み速度により制限される。代表的な2Kバイトのフローティングゲートメモリは、5ミリ秒間に約4バイトの書き込みが行える。したがって、フローティングゲートメモリ全体（2Kバイト分）に書き込むには、1秒以上を要する。
不揮発性データバッファ
書き込み耐性が高いことから、FRAMはデータバッファとして使用可能だ。MCU（Micro Controller Unit）が、運転中のイベントを連続的に直接FRAMに記録する。FRAMは、本質的に不揮発性メモリであり、電源遮断後もデータを残す。したがって、主電源が壊滅的に破損したとしても、最後の瞬間のデータが損なわれることは決してない。データが直接FRAMに書き込まれるので、最後の瞬間のデータをSRAMからEEPROMやフラッシュなどの不揮発性空間に転送する必要がない。FRAMの使用により、最後の瞬間まで衝突データを保持するために必要なシステム電力補充はゼロで済む。
書き込み遅延なし
事故の種類によっては、その詳細をことごとく捉えるために1秒間に100回から1000回という頻度での記録が必要になることがある。既存のEEPROMやフラッシュメモリをベースとするレコーダーにとっては、この頻度での記録はレコーダーの根幹に関わる課題だ。EEPROMはページ単位の書き込みをベースとしてデータを記憶し、そのため、EEPROMに2ページを書き込む際には数ミリ秒の書き込み遅延が発生する。これがデータ記録性能を制限する。FRAMにおける“遅延なし”書き込みならば、システム設計者は、システムバス速度のリアルタイムデータを取得し、記録することが可能だ。
高速書き込みと低消費電力
FRAM内の高速シリアルSPIとI2Cインターフェースあるいは、高速パラレル同期アクセスにより、コントローラーはクラス最高の不揮発性書き込み速度仕様により一瞬のうちにFRAMにデータを書き込める。低電力FRAMは、他の不揮発性メモリ技術が必要とするトータル消費電力のほんの何分の1しか必要としない。
高信頼性
EDRのデータ信頼性は、正確性、残存性、データ検索性および、最も重要な耐久性の目標を実現するために重要である。このメモリ空間は、クリティカルなセンサーデータの記録に使用されるため、高い信頼性とデータインテグリティー（データ完全性）が自動車アプリケーション向けとしての必須事項だ。
成熟度
技術の成熟度は自動車市場では他分野のアプリケーション以上に大きな関心事である。EEPROMおよび、フラッシュメモリ技術は十分に理解され、大手サプライヤーでは品質管理インフラが確立されている。新技術の導入にためらいが生じるのは自然なことであり、その技術分野が信頼性と利便性の面で満足できるものにならなければならないのだ。FRAMは、自動車環境（125℃の極限温度グレードのボンネット内アプリケーションを含む）に5億を超えるユニットが出荷されており、自動車分野の顧客が満足と安心を感じることのできるレベルに成熟してきた。
FRAMは、フラッシュ、EEPROM、電池駆動SRAMおよび、その他の同等技術に比べると、著しく低電力であるとともに、システムコストを低減し、システム効率を増進し、複雑さを緩和できる。
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アイティメディア営業企画／制作：EE Times Japan 編集部／掲載内容有効期限：2017年4月13日
