雙核鎖步技術(shù)在汽車(chē)芯片軟錯誤防護中的應用詳解

本文深入探討了雙核鎖步技術(shù)在保障汽車(chē)芯片安全性中的應用。文章首先分析了國產(chǎn)車(chē)規芯片在高安全可靠領(lǐng)域面臨的軟錯誤難點(diǎn)及攻克方向，然后詳細介紹了雙核鎖步技術(shù)的基本原理及其在汽車(chē)芯片防軟錯誤的重要性。通過(guò)對比國內外多家廠(chǎng)商的芯片技術(shù)，分析了軟錯誤設計在車(chē)身域控制器中的關(guān)鍵作用，為汽車(chē)芯片的國產(chǎn)化替代提供參考依據。

一、引言

隨著(zhù)汽車(chē)電子技術(shù)的飛速發(fā)展，汽車(chē)芯片在車(chē)輛的智能化、網(wǎng)聯(lián)化和電動(dòng)化進(jìn)程中扮演著(zhù)至關(guān)重要的角色。汽車(chē)車(chē)身控制的車(chē)身域控制器作為汽車(chē)電子控制系統的核心部件之一，其可靠性直接關(guān)系到車(chē)輛的安全性和舒適性。雙核鎖步技術(shù)作為一種有效的容錯手段，能夠顯著(zhù)提高汽車(chē)芯片在復雜工況下的抗干擾能力和安全性，尤其在應對軟錯誤方面具有獨特的優(yōu)勢。

二、國產(chǎn)芯片在高安全可靠領(lǐng)域的軟錯誤問(wèn)題與攻克方向

（一）軟錯誤的定義與危害

軟錯誤是指由于外部環(huán)境因素（如宇宙射線(xiàn)、電磁干擾等）或內部工藝缺陷導致的芯片內部狀態(tài)的瞬時(shí)變化，這種變化不會(huì )永久損壞芯片，但可能導致數據錯誤或系統故障。在汽車(chē)電子控制系統中，軟錯誤可能引發(fā)車(chē)身控制系統的誤操作，如車(chē)窗意外升降、車(chē)燈異常閃爍等，嚴重時(shí)甚至可能導致車(chē)輛失控。

（二）國產(chǎn) RISC-V 芯片面臨的軟錯誤難點(diǎn)

工藝限制：國產(chǎn) RISC-V 芯片在制造工藝上與國際先進(jìn)水平仍存在一定差距，導致芯片對軟錯誤的敏感度較高。

設計經(jīng)驗不足：在軟錯誤防護設計方面，國內芯片企業(yè)起步較晚，缺乏成熟的設計經(jīng)驗和驗證方法。

生態(tài)系統不完善：RISC-V 指令集架構的生態(tài)系統相對薄弱，缺乏針對軟錯誤防護的專(zhuān)用工具鏈和軟件支持。

（三）攻克方向

版圖加固技術(shù)：通過(guò)對傳統工藝的標準單元庫進(jìn)行系統性加固，重新設計具備抗軟錯誤能力的單元庫，從芯片底層解決軟錯誤問(wèn)題。

冗余設計與容錯機制：采用雙核鎖步等冗余設計技術(shù)，結合 ECC（錯誤校正碼）等容錯機制，提高芯片在軟錯誤環(huán)境下的可靠性。

加強測試與驗證：建立完善的測試驗證體系，包括硬件在環(huán)測試、軟件仿真測試等，確保芯片在各種工況下都能穩定運行。

三、雙核鎖步技術(shù)概述

（一）基本原理

雙核鎖步技術(shù)是指在一個(gè)芯片中集成兩個(gè)相同的處理器內核，它們執行相同的代碼并嚴格同步。其中一個(gè)內核作為主核（Master Core），負責訪(fǎng)問(wèn)系統內存并輸出指令；另一個(gè)內核作為從核（Checker Core），不斷執行主核獲取的指令。從核的輸出結果通過(guò)硬件比較器與主核的輸出結果進(jìn)行逐周期比較。一旦發(fā)現兩者結果不一致，即觸發(fā)錯誤信號，系統可據此采取相應的容錯措施，如切換到備用系統或進(jìn)入安全模式。

（二）技術(shù)優(yōu)勢

提高硬件可靠性：通過(guò)減少硬件元器件數量和連接，相比使用兩個(gè)獨立的 MCU，雙核鎖步架構能夠顯著(zhù)提高硬件的可靠性。

增強故障診斷能力：故障能夠在源頭被及時(shí)檢測到，避免潛伏故障的積累。

降低軟件復雜度：無(wú)需雙 CPU 之間的通信和數據同步，減少了數據比較和決策邏輯，降低了軟件驗證的復雜度。

滿(mǎn)足功能安全標準：雙核鎖步技術(shù)能夠有效滿(mǎn)足汽車(chē)功能安全標準（如 ISO 26262）的要求，尤其在 ASIL-D 等高級別安全應用中表現出色。

四、雙核鎖步技術(shù)在車(chē)身域控制器中的應用

（一）車(chē)身域控制器概述

車(chē)身域控制器是汽車(chē)電子控制系統的核心部件之一，負責管理車(chē)輛的車(chē)身電子設備，如車(chē)窗、車(chē)燈、雨刷、座椅等。其主要功能包括：設備控制、狀態(tài)監測、故障診斷和安全功能。

（二）軟錯誤對車(chē)身域控制器的潛在影響

軟錯誤在汽車(chē)車(chē)身控制的車(chē)身域控制器中可能導致一系列嚴重后果。例如，車(chē)窗控制系統可能因軟錯誤而意外升降，導致乘客受傷或車(chē)輛損壞；車(chē)燈控制系統可能因軟錯誤而出現異常閃爍或熄滅，影響車(chē)輛的行駛安全；座椅調節系統可能因軟錯誤而無(wú)法正常工作，降低乘客的舒適性。此外，車(chē)身域控制器還負責車(chē)輛的防盜系統、車(chē)門(mén)鎖止等功能，軟錯誤可能導致這些系統失效，增加車(chē)輛被盜的風(fēng)險。

（三）雙核鎖步技術(shù)如何應對軟錯誤

雙核鎖步技術(shù)通過(guò)硬件冗余和實(shí)時(shí)比較機制，能夠有效檢測和糾正軟錯誤。在汽車(chē)車(chē)身控制的車(chē)身域控制器中，雙核鎖步技術(shù)的應用可以顯著(zhù)提高系統的可靠性：

實(shí)時(shí)檢測與糾正：雙核鎖步技術(shù)能夠在每個(gè)時(shí)鐘周期對主核和從核的輸出結果進(jìn)行比較，一旦檢測到不一致，立即觸發(fā)錯誤信號并采取糾正措施。這種實(shí)時(shí)檢測機制可以有效避免軟錯誤積累，確保車(chē)身域控制器的穩定運行。

冗余設計：雙核鎖步技術(shù)通過(guò)引入冗余的處理器內核，提高了系統的容錯能力。即使主核受到軟錯誤的影響，從核仍然可以正常工作，確保車(chē)身域控制器的基本功能不受影響。

增強功能安全性：汽車(chē)車(chē)身控制的車(chē)身域控制器需要滿(mǎn)足嚴格的功能安全標準（如 ISO 26262）。雙核鎖步技術(shù)能夠有效降低系統故障率，提高系統的安全性。

五、國內外廠(chǎng)商雙核鎖步技術(shù)對比

（一）國外廠(chǎng)商技術(shù)現狀

國外廠(chǎng)商在雙核鎖步技術(shù)方面已經(jīng)積累了豐富的經(jīng)驗，并在汽車(chē)芯片領(lǐng)域取得了顯著(zhù)的成果。例如，NXP（恩智浦）的 S32K 系列芯片采用了雙核鎖步架構，能夠滿(mǎn)足 ISO 26262 的 ASIL-D 級別要求。該系列芯片通過(guò)硬件比較器和冗余設計，顯著(zhù)提高了系統的可靠性。此外，Infineon（英飛凌）的 AURIX 系列芯片也采用了類(lèi)似的雙核鎖步技術(shù)，并結合了先進(jìn)的制造工藝，進(jìn)一步降低了軟錯誤的發(fā)生概率。

（二）國內廠(chǎng)商技術(shù)進(jìn)展

國內廠(chǎng)商在雙核鎖步技術(shù)方面也取得了顯著(zhù)進(jìn)展。例如，芯馳科技的 E3 系列車(chē)規 MCU 也采用了雙核鎖步架構，紫光芯能的 THA6 系列汽車(chē)域控芯片配置多達 5 組雙核鎖步內核。國科安芯的 AS32A601 芯片采用了雙核鎖步架構，并結合了 ECC 技術(shù)，能夠有效檢測和糾正單比特錯誤。此外，AS32A601 芯片還通過(guò)了 AEC-Q100 Grade 1 認證，符合 ISO 26262 ASIL-B 等級的功能安全標準。

國內廠(chǎng)商在雙核鎖步技術(shù)方面已經(jīng)達到了國際先進(jìn)水平，特別是在抗軟錯誤能力和版圖加固技術(shù)方面具有顯著(zhù)優(yōu)勢。此外，國內廠(chǎng)商的芯片在功耗和成本方面也具有一定的競爭力，能夠滿(mǎn)足國內汽車(chē)市場(chǎng)的需求。

六、雙核鎖步技術(shù)在國產(chǎn)芯片中的具體實(shí)現

（一）內核與鎖步機制

以國科安芯的AS32A601為例，該芯片采用了自研的 E7 內核，帶有 FPU 和 L1 Cache，最高頻率可達 180MHz。該內核支持 8 級雙發(fā)射流水線(xiàn)、動(dòng)態(tài)分支預測和哈佛架構的緩存，能夠提供高效的運算性能。在雙核鎖步架構中，主核和從核嚴格同步執行相同的指令，并通過(guò)硬件比較器實(shí)時(shí)比較輸出結果。一旦檢測到不一致，系統會(huì )立即觸發(fā)錯誤信號，并采取相應的容錯措施，如切換到備用系統或進(jìn)入安全模式。

（二）存儲系統與 ECC 保護

AS32A601 芯片的存儲系統包括 512KiB 內部 SRAM、16KiB ICache、16KiB DCache、512KiB D-Flash 和 2MiB P-Flash，所有存儲單元均支持 ECC 保護。ECC 技術(shù)能夠檢測和糾正單比特錯誤，顯著(zhù)提高了存儲系統的可靠性。在軟錯誤環(huán)境中，ECC 保護可以有效防止數據損壞，確保系統在出現錯誤時(shí)能夠正常運行。

（三）安全特性

AS32A601 芯片在設計中融入了多種安全特性，以滿(mǎn)足 ISO 26262 ASIL-B 等級的功能安全標準。除了雙核鎖步架構和 ECC 保護外，該芯片還支持以下安全機制：

時(shí)鐘監控：通過(guò)多個(gè)分立的時(shí)鐘監測模塊（CMU），實(shí)時(shí)監控系統時(shí)鐘的穩定性。

電源監控：結合電源管理模塊（PMU）和模數轉換器（ADC），實(shí)時(shí)監測電源電壓。

外設安全監控：硬件支持應用級冗余，通過(guò)連接至不同外設橋的 IO 模塊，最大化被監控和監控資源之間的獨立性。

故障診斷與反應：故障收集單元負責收集故障信息并向故障控制單元（FCU）報告，確保系統能夠及時(shí)響應并采取措施。

（四）功能安全標準

AS32A601 芯片嚴格遵循 ISO 26262 標準，通過(guò)了 AEC-Q100 Grade 1 認證。該芯片的設計能夠有效檢測和糾正軟錯誤，降低系統故障率，滿(mǎn)足汽車(chē)車(chē)身控制的車(chē)身域控制器在功能安全方面的要求。

七、未來(lái)發(fā)展趨勢與挑戰

（一）未來(lái)發(fā)展趨勢

更高集成度：隨著(zhù)汽車(chē)電子系統的復雜性不斷增加，車(chē)身域控制器需要集成更多的功能模塊。未來(lái)，雙核鎖步技術(shù)將與其他技術(shù)（如多核處理器、片上網(wǎng)絡(luò )等）相結合，進(jìn)一步提高芯片的集成度和性能。

更低功耗：汽車(chē)芯片的功耗直接影響車(chē)輛的續航里程和燃油效率。未來(lái)，雙核鎖步技術(shù)將通過(guò)優(yōu)化芯片架構和制造工藝，進(jìn)一步降低功耗。

更強功能安全性：隨著(zhù)自動(dòng)駕駛和車(chē)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，汽車(chē)芯片的功能安全性要求將越來(lái)越高。雙核鎖步技術(shù)將通過(guò)引入更多的冗余設計和容錯機制，進(jìn)一步提高系統的安全性。

（二）面臨的挑戰

技術(shù)標準與認證：汽車(chē)芯片需要滿(mǎn)足嚴格的功能安全標準（如 ISO 26262）。國內廠(chǎng)商需要進(jìn)一步完善其芯片的設計和驗證流程，確保其產(chǎn)品能夠通過(guò)國際認證。

生態(tài)系統建設：RISC-V 指令集架構的生態(tài)系統相對薄弱，缺乏成熟的開(kāi)發(fā)工具和軟件支持。國內廠(chǎng)商需要加強與國內外合作伙伴的合作，共同推動(dòng) RISC-V 生態(tài)系統的建設。

市場(chǎng)競爭：國外廠(chǎng)商在汽車(chē)芯片領(lǐng)域已經(jīng)占據了較大的市場(chǎng)份額，國內廠(chǎng)商需要在技術(shù)、成本和服務(wù)等方面不斷提升競爭力，逐步實(shí)現國產(chǎn)芯片的替代。

八、結論

雙核鎖步技術(shù)作為一種有效的容錯手段，在汽車(chē)車(chē)身控制的車(chē)身域控制器中具有重要的應用價(jià)值。通過(guò)引入雙核鎖步技術(shù)，可以顯著(zhù)提高車(chē)身域控制器的抗軟錯誤能力和功能安全性。國內廠(chǎng)商在雙核鎖步技術(shù)方面已經(jīng)取得了顯著(zhù)的進(jìn)展，其芯片在抗軟錯誤能力和功能安全性方面表現出色。未來(lái)，隨著(zhù)汽車(chē)電子系統的不斷發(fā)展，雙核鎖步技術(shù)將面臨更高的要求和更大的挑戰。國內廠(chǎng)商需要在技術(shù)標準、生態(tài)系統建設和市場(chǎng)競爭等方面不斷提升自身能力，為實(shí)現國產(chǎn)汽車(chē)芯片的替代做出貢獻。

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