車(chē)規級MCU介紹

控制類(lèi)芯片介紹

控制類(lèi)芯片主要就是指MCU（Microcontroller Unit），即微控制器，又叫單片機，是把CPU的主頻與規格做適當縮減，并將存儲器、定時(shí)器、A/D轉換、時(shí)鐘、I/O端口及串行通訊等多種功能模塊和接口集成在單個(gè)芯片上，實(shí)現終端控制的功能，具有性能高、功耗低、可編程、靈活度高等優(yōu)點(diǎn)。

車(chē)規級MCU示意圖

汽車(chē)是MCU的一個(gè)非常重要的應用領(lǐng)域，據IC Insights數據，2019年全球MCU應用于汽車(chē)電子的占比約為33%。高端車(chē)型中每輛車(chē)用到的MCU數量接近100個(gè)，從行車(chē)電腦、液晶儀表，到發(fā)動(dòng)機、底盤(pán)，汽車(chē)中大大小小的組件都需要MCU進(jìn)行把控。

早期，汽車(chē)中應用的主要是8位和16位MCU，但隨著(zhù)汽車(chē)電子化和智能化不斷加強，所需要的MCU數量與質(zhì)量也不斷提高。當前，32位MCU在汽車(chē)MCU中的占比已經(jīng)達到了約60%，其中ARM公司的Cortex系列內核，因其成本低廉，功耗控制優(yōu)異，是各汽車(chē)MCU廠(chǎng)商的主流選擇。

汽車(chē)MCU的主要參數包括工作電壓、運行主頻、Flash和RAM容量、定時(shí)器模塊和通道數量、ADC模塊和通道數量、串行通訊接口種類(lèi)和數量、輸入輸出I/O口數量、工作溫度、封裝形式及功能安全等級等。

按CPU位數劃分，汽車(chē)MCU主要可分為8位、16位和32位。隨著(zhù)工藝升級，32位MCU成本不斷下降，目前已經(jīng)成為主流，正在逐漸替代過(guò)去由8/16位MCU主導的應用和市場(chǎng)。

如果按應用領(lǐng)域劃分，汽車(chē)MCU又可以分為車(chē)身域、動(dòng)力域、底盤(pán)域、座艙域和智駕域。其中對于座艙域和智駕域來(lái)說(shuō)，MCU需要有較高的運算能力，并具有高速的外部通訊接口，比如CAN FD和以太網(wǎng)，車(chē)身域同樣要求有較多的外部通訊接口數量，但對MCU的算力要求相對較低，而動(dòng)力域和底盤(pán)域則要求更高的工作溫度和功能安全等級。

底盤(pán)域控制芯片

底盤(pán)域是與汽車(chē)行駛相關(guān)，由傳動(dòng)系統、行駛系統、轉向系統和制動(dòng)系統共同構成，由五大子系統構成，分別為轉向、制動(dòng)、換擋、油門(mén)、懸掛系統，隨著(zhù)汽車(chē)智能化發(fā)展，智能汽車(chē)的感知識別、決策規劃、控制執行為底盤(pán)域核心系統，線(xiàn)控轉向和線(xiàn)控制動(dòng)是面向自動(dòng)駕駛執行端的核心零部件。

工作要求

底盤(pán)域ECU采用高性能、可升級的功能安全性平臺，并支持傳感器群集及多軸慣性傳感器?；谶@種應用場(chǎng)景，對底盤(pán)域MCU提出如下需求：

· 高主頻和高算力要求，主頻不低于200MHz且算力不低于300DMIPS；

· Flash存儲空間不低于2MB，具有代碼Flash和數據Flash物理分區；

· RAM不低于512KB；

· 高功能安全等級要求，可以達到ASIL-D等級；

· 支持12位精度ADC；

· 支持32位高精度，高同步性定時(shí)器；

· 支持多通道CAN-FD；

· 支持不低于100M以太網(wǎng)；

· 可靠性不低于A(yíng)EC-Q100 Grade1；

· 支持在線(xiàn)升級（OTA）；

· 支持固件驗證功能（國密算法）；

性能要求

· 內核部分：內核主頻：即內核工作時(shí)的時(shí)鐘頻率，用于表示內核數字脈沖信號震蕩的速度，主頻不能直接代表內核的運算速度。內核的運算速度還和內核的流水線(xiàn)、緩存、指令集等有關(guān)系；算力：通?？梢允褂肈MIPS來(lái)進(jìn)行評估。DMIPS是指測量MCU綜合的基準程序的測試程序時(shí)表現出來(lái)的相對性能高低的一個(gè)單位。

· 存儲器參數：代碼存儲器：用于存放代碼的存儲器；數據存儲器：用于存放數據的存儲器；RAM：用于存放臨時(shí)數據和代碼的存儲器。

· 通信總線(xiàn)：包括汽車(chē)專(zhuān)用總線(xiàn)和常規通信總線(xiàn)；

· 高精度外設；

· 工作溫度；

產(chǎn)業(yè)格局

由于不同車(chē)廠(chǎng)采用的電子電氣架構會(huì )有所區別，對底盤(pán)域的零部件需求會(huì )有所不同。同一車(chē)廠(chǎng)的不同車(chē)型由于高低配置不同，對底盤(pán)域的ECU選擇也會(huì )不一樣。這些區分都會(huì )造成對底盤(pán)域的MCU需求量會(huì )有所不同。例如本田雅閣的底盤(pán)域MCU芯片使用了3顆，奧迪Q7采用了大約11顆底盤(pán)域的MCU芯片。整個(gè)底盤(pán)域MCU的主要供貨商為英飛凌、恩智浦、瑞薩、Microchip、TI和ST。

行業(yè)壁壘

關(guān)鍵技術(shù)角度，EPS、EPB、ESC等底盤(pán)域的零部件均與駕駛員的生命安全息息相關(guān)，因此對底盤(pán)域MCU的功能安全等級要求非常高，基本上都是ASIL-D等級的要求。這個(gè)功能安全等級的MCU國內屬于空白。除了功能安全等級，底盤(pán)域零部件的應用場(chǎng)景對MCU的主頻、算力、存儲器容量、外設性能、外設精度等方面均有非常高的要求。底盤(pán)域MCU形成了非常高的行業(yè)壁壘，需要國產(chǎn)MCU廠(chǎng)商去挑戰和攻破。

供應鏈方面，由于底盤(pán)域零部件需要控制芯片具有高主頻、高算力的要求，這對晶圓生產(chǎn)的工藝和制程方面提出了比較高的要求。目前看來(lái)至少需要55nm以上的工藝才能滿(mǎn)足200MHz以上的MCU主頻要求。在這個(gè)方面國內的車(chē)規MCU產(chǎn)線(xiàn)尚不完備，沒(méi)有達到量產(chǎn)級別。國際半導體廠(chǎng)商基本上都采用了IDM模式，在晶圓代工廠(chǎng)方面，目前只有臺積電、聯(lián)華電子和格芯具備相應能力。國內芯片廠(chǎng)商均為Fabless公司，在晶圓制造和產(chǎn)能保證上面具有挑戰和一定的風(fēng)險。

在自動(dòng)駕駛等核心計算場(chǎng)景中，傳統通用CPU由于計算效率低，難以適應AI計算要求，GPU、FPGA以及ASIC等AI芯片憑借著(zhù)自身特點(diǎn)，在邊緣端和云端有著(zhù)優(yōu)異表現，應用更廣。從技術(shù)趨勢看，短期內GPU仍將是AI芯片主導，長(cháng)期來(lái)看，ASIC是終極方向。從市場(chǎng)趨勢看，全球AI芯片需求將保持較快增長(cháng)勢頭，云端、邊緣芯片均具備較大增長(cháng)潛力，預計未來(lái)5年市場(chǎng)增速將接近50%；國內芯片技術(shù)雖然基礎較弱，但隨著(zhù)AI應用的快速落地，AI芯片需求快速放量為本土芯片企業(yè)技術(shù)和能力成長(cháng)創(chuàng )造機遇。自動(dòng)駕駛對算力、時(shí)延和可靠性要求嚴苛，目前多使用GPU+FPGA的解決方案，后續隨著(zhù)算法的穩定以及數據驅動(dòng)，ASIC有望獲得市場(chǎng)空間。

CPU芯片上需要很多空間來(lái)進(jìn)行分支預測與優(yōu)化，保存各種狀態(tài)以降低任務(wù)切換時(shí)的延時(shí)。這也使得其更適合邏輯控制、串行運算與通用類(lèi)型數據運算。以GPU與CPU進(jìn)行比較為例，與CPU相比，GPU采用了數量眾多的計算單元和超長(cháng)的流水線(xiàn)，只有非常簡(jiǎn)單的控制邏輯并省去了Cache。而CPU不僅被Cache占據了大量空間，而且還有復雜的控制邏輯和諸多優(yōu)化電路，相比之下計算能力只是很小的一部分。

動(dòng)力域控制芯片

動(dòng)力域控制器是一種智能化的動(dòng)力總成管理單元。借助CAN/FLEXRAY實(shí)現變速器管理，電池管理，監控交流發(fā)電機調節，主要用于動(dòng)力總成的優(yōu)化與控制，同時(shí)兼具電氣智能故障診斷智能節電、總線(xiàn)通信等功能。

工作要求

動(dòng)力域控制MCU可支持BMS等動(dòng)力方面的主要應用，其要求如下：

· 高主頻，主頻600MHz~800MHz；

· RAM 4MB；

· 高功能安全等級要求，可以達到ASIL-D等級；

· 支持多通道CAN-FD；

· 支持2G以太網(wǎng)；

· 可靠性不低于A(yíng)EC-Q100 Grade1；

· 支持固件驗證功能（國密算法）；

性能要求

高性能：產(chǎn)品集成了ARM Cortex R5雙核鎖步CPU和4MB片內SRAM以支撐汽車(chē)應用對于算力和內存日益增長(cháng)的需求。ARM Cortex-R5F CPU主頻高達800MHz。高安全：車(chē)規可靠性標準AEC-Q100達到Grade 1級別，ISO26262功能安全等級達到ASIL D。采用的雙核鎖步CPU，可以實(shí)現高達99%的診斷覆蓋率。內置的信息安全模塊集成真隨機數生成器、AES、RSA、ECC、SHA以及符合國密商密相關(guān)標準的硬件加速器。這些信息安全功能的集成可以滿(mǎn)足安全啟動(dòng)、安全通信、安全固件更新升級等應用的需求。

車(chē)身域控制芯片

車(chē)身域主要負責車(chē)身各種功能的控制。隨著(zhù)整車(chē)發(fā)展，車(chē)身域控制器也越來(lái)越多，為了降低控制器成本，降低整車(chē)重量，集成化需要把所有的功能器件，從車(chē)頭的部分、車(chē)中間的部分和車(chē)尾部的部分如后剎車(chē)燈、后位置燈、尾門(mén)鎖、甚至雙撐桿統一集成到一個(gè)總的控制器里面。

車(chē)身域控制器一般集成BCM、PEPS、TPMS、Gateway等功能，也可拓展增加座椅調節、后視鏡控制、空調控制等功能，綜合統一管理各執行器，合理有效地分配系統資源。車(chē)身域控制器的功能眾多，如下圖所示，但不限于在此列舉的功能。

車(chē)身域控制器功能表

工作要求

汽車(chē)電子對MCU控制芯片的主要訴求為更好的穩定性、可靠性、安全性、實(shí)時(shí)性等技術(shù)特性要求，以及更高的計算性能和存儲容量，更低的功耗指標要求。車(chē)身域控制器從分散化的功能部署，逐漸過(guò)渡到集成所有車(chē)身電子的基礎驅動(dòng)、鑰匙功能、車(chē)燈、車(chē)門(mén)、車(chē)窗等的大控制器，車(chē)身域控制系統設計綜合了燈光、雨刮洗滌、中控門(mén)鎖、車(chē)窗等控制，PEPS智能鑰匙、電源管理等，以及網(wǎng)關(guān)CAN、可擴展CANFD和FLEXRAY、LIN網(wǎng)絡(luò )、以太網(wǎng)等接口和模塊等多方面的開(kāi)發(fā)設計技術(shù)。

在總體上講，車(chē)身域上述各種控制功能對MCU主控芯片的工作要求主要體現在運算處理性能、功能集成度和通信接口，以及可靠性等方面。具體要求方面由于車(chē)身域不同功能應用場(chǎng)景的功能差異性較大，例如電動(dòng)車(chē)窗、自動(dòng)座椅、電動(dòng)尾門(mén)等車(chē)身應用還存在高效電機控制方面的需求，這類(lèi)車(chē)身應用要求MCU集成有FOC電控算法等功能。此外，車(chē)身域不同應用場(chǎng)景對芯片的接口配置需求也不盡相同。因此，通常需要根據具體應用場(chǎng)景的功能和性能要求，并在此基礎上綜合衡量產(chǎn)品性?xún)r(jià)比、供貨能力與技術(shù)服務(wù)等因素進(jìn)行車(chē)身域MCU選型。

性能要求

車(chē)身域控制類(lèi)MCU芯片主要參考指標如下：

· 性能：ARM Cortex-M4F @144MHz，180DMIPS，內置8KB指令Cache緩存，支持Flash加速單元執行程序0等待。

· 大容量加密存儲器：高達512K Bytes eFlash，支持加密存儲、分區管理及數據保護，支持ECC校驗，10萬(wàn)次擦寫(xiě)次數，10年數據保持；144K Bytes SRAM，支持硬件奇偶校驗。

· 集成豐富的通信接口：支持多路GPIO、USART、UART、SPI、QSPI、I2C、SDIO、USB2.0、CAN 2.0B、EMAC、DVP等接口。

· 集成高性能模擬器件：支持12bit 5Msps高速ADC、軌到軌獨立運算放大器、高速模擬比較器、12bit 1Msps DAC；支持外部輸入獨立參考電壓源，多通道電容式觸摸按鍵；高速DMA控制器。

· 支持內部RC或外部晶體時(shí)鐘輸入、高可靠性復位。

· 內置可校準的RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘，支持閏年萬(wàn)年歷，鬧鐘事件，周期性喚醒。

· 支持高精度定時(shí)計數器。

· 硬件級安全特性：密碼算法硬件加速引擎，支持AES、DES、TDES、SHA1/224/256，SM1、SM3、SM4、SM7、MD5算法；Flash存儲加密，多用戶(hù)分區管理（MMU），TRNG真隨機數發(fā)生器，CRC16/32運算；支持寫(xiě)保護（WRP），多種讀保護（RDP）等級（L0/L1/L2）；支持安全啟動(dòng)，程序加密下載，安全更新。

· 支持時(shí)鐘失效監測，防拆監測。

· 具有96位UID及128位UCID。

· 高可靠工作環(huán)境：1.8V～3.6V/-40℃～105℃。

產(chǎn)業(yè)格局

車(chē)身域電子系統不論是對國外企業(yè)還是國內企業(yè)都處于成長(cháng)初期。國外企業(yè)在如BCM、PEPS、門(mén)窗、座椅控制器等單功能產(chǎn)品上有深厚的技術(shù)積累，同時(shí)各大外企的產(chǎn)品線(xiàn)覆蓋面較廣，為他們做系統集成產(chǎn)品奠定了基礎。而國內企業(yè)新能源車(chē)車(chē)身應用上具有一定優(yōu)勢。以BYD為例，在BYD的新能源車(chē)上，將車(chē)身域分為左右后三個(gè)域，重新布局和定義系統集成的產(chǎn)品。但是在車(chē)身域控制芯片方面，MCU的主要供貨商為仍然為英飛凌、恩智浦、瑞薩、Microchip、ST等國際芯片廠(chǎng)商，國產(chǎn)芯片廠(chǎng)商目前市場(chǎng)占有率低。

行業(yè)壁壘

從通信角度來(lái)看，存在傳統架構-混合架構-最終的Vehicle Computer Platform的演變過(guò)程。這里面通信速度的變化，還有帶高功能安全的基礎算力的價(jià)格降低是關(guān)鍵，未來(lái)有可能逐步實(shí)現在基礎控制器的電子層面兼容不同的功能。例如車(chē)身域控制器能夠集成傳統BCM、PEPS、紋波防夾等功能。相對來(lái)說(shuō)，車(chē)身域控制芯片的技術(shù)壁壘要低于動(dòng)力域、駕艙域等，國產(chǎn)芯片有望率先在車(chē)身域取得較大突破并逐步實(shí)現國產(chǎn)替代。近年來(lái)，國產(chǎn)MCU在車(chē)身域前后裝市場(chǎng)已經(jīng)有了非常良好的發(fā)展勢頭。

座艙域控制芯片

電動(dòng)化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化加快了汽車(chē)電子電氣架構向域控方向發(fā)展，座艙域也在從車(chē)載影音娛樂(lè )系統到智能座艙快速發(fā)展。座艙以人機交互界面呈現出來(lái)，但不管是之前的信息娛樂(lè )系統還是現在的智能座艙，除了有一顆運算速度強大的SOC，還需要一顆實(shí)時(shí)性高的MCU來(lái)處理與整車(chē)的數據交互。軟件定義汽車(chē)、OTA、Autosar在智能座艙域的逐漸普及，使得對座艙域MCU資源要求也越來(lái)越高。具體體現在FLASH、RAM容量需求越來(lái)越大，PIN Count需求也在增多，更復雜的功能需要更強的程序執行能力，同時(shí)還要有更豐富的總線(xiàn)接口。

工作要求

MCU在座艙域主要實(shí)現系統電源管理、上電時(shí)序管理、網(wǎng)絡(luò )管理、診斷、整車(chē)數據交互、按鍵、背光管理、音頻DSP/FM模塊管理、系統時(shí)間管理等功能。

MCU資源要求：

· 對主頻和算力有一定要求，主頻不低于100MHz且算力不低于200DMIPS；

· Flash存儲空間不低于1MB，具有代碼Flash和數據Flash物理分區；

· RAM不低于128KB；· 高功能安全等級要求，可以達到ASIL-B等級；

· 支持多路ADC；

· 支持多路CAN-FD；

· 車(chē)規等級AEC-Q100 Grade1；

· 支持在線(xiàn)升級（OTA），Flash支持雙Bank；

· 需要有SHE/HSM-light等級及以上信息加密引擎，支持安全啟動(dòng)；

· Pin Count不低于100PIN；

性能要求

· IO支持寬電壓供電（5.5v~2.7v），IO口支持過(guò)壓使用；很多信號輸入根據供電電池電壓波動(dòng)，存在過(guò)壓輸入情況，IO口支持過(guò)壓使用能提升系統穩定、可靠性。

· 存儲器壽命：汽車(chē)生命周期長(cháng)達10年以上，因此汽車(chē)MCU程序存儲、數據存儲需要有更長(cháng)的壽命。程序存儲和數據存儲需要有單獨物理分區，其中程序存儲擦寫(xiě)次數較少，因此Endurance>10K即可，數據存儲需要頻繁擦寫(xiě)，需要有更大的擦寫(xiě)次數，參考data flash指標Endurance>100K, 15年(<1K)，10年(<100K)。

· 通信總線(xiàn)接口；汽車(chē)上總線(xiàn)通信負荷量越來(lái)越高，因此傳統CAN已不能滿(mǎn)足通信需求，高速CAN-FD總線(xiàn)需求越來(lái)越高，支持CAN-FD逐漸成為MCU標配。

產(chǎn)業(yè)格局

目前國產(chǎn)智能座艙MCU占比還很低，主要供應商仍然是NXP、 Renesas、Infineon、ST、Microchip等國際MCU廠(chǎng)商。國內有多家MCU廠(chǎng)商已在布局，市場(chǎng)表現還有待觀(guān)察。

行業(yè)壁壘

智能座艙車(chē)規等級、功能安全等級相對不算太高，主要是know how方面的積累，需要不斷的產(chǎn)品迭代和完善。同時(shí)由于國內晶圓廠(chǎng)有車(chē)規MCU產(chǎn)線(xiàn)的不多，制程也相對落后一些，若要實(shí)現全國產(chǎn)供應鏈需要一段時(shí)間的磨合，同時(shí)可能還存在成本更高的情況，與國際廠(chǎng)商競爭壓力更大。