未來(lái)汽車(chē)芯片趨勢　將從MCU轉至SoC

　　福特(Ford Motor)在1983年首次于Escort車(chē)系導入16位元英特爾(Intel)微控制器(MCU)為基礎的引擎噴射系統，而汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展至今，市面上許多高階汽車(chē)已搭載超過(guò)100個(gè)微處理器，而當初的Escort僅搭載1個(gè)微處理器。

　　據Semiconductor Engineering網(wǎng)站報導，汽車(chē)內部系統控制所用的電子控制單元(ECU)設計，這些規范都隨時(shí)間不斷演進(jìn)。福特汽車(chē)旗下創(chuàng )新部門(mén)全球執行長(cháng)Jim Buczkowski表示，汽車(chē)的基本系統歷史悠久，并隨著(zhù)時(shí)間全面電子化且整合，像是窗戶(hù)從手搖式、電動(dòng)式、演變到今日的智能型窗戶(hù)。

　　最早的汽車(chē)電子系統各自獨立運作，燈光、門(mén)鎖、傳動(dòng)、防鎖死煞車(chē)等功能的控制器系統均不同，而現在廠(chǎng)商則漸漸把這些孤立的系統整合起來(lái)。整合的第一階段是達到資訊分享，像是感測汽車(chē)行駛速度而自動(dòng)鎖上的門(mén)鎖，得將傳動(dòng)控制系統與傳輸變化等系統連接成一網(wǎng)路，相互溝通、分享不同電子控制模組系統之間的訊號。

　　汽車(chē)廠(chǎng)商早已跳脫獨立控制系統，導入控制器區域網(wǎng)路(Controller Area Network;CAN)，未來(lái)也可望搭載乙太網(wǎng)路等高速通訊網(wǎng)路，用以傳輸龐大資料與訊號，整合更多微控制器功能在同一個(gè)單位當中，同步處理許多不同作業(yè)，不但降低成本也改善效能。?

　　傳統ECU主要以MCU作為基礎，相較之下，先進(jìn)駕駛輔助系統(ADAS)等新型系統需要不同的系統設計，因為其效能需求完全在不同層次。此外，ECU擁有更強大的核心，而MCU無(wú)法繼續支持這些系統運行，尤其是相機為基礎的系統。

　　而半導體公司正針對這類(lèi)ECU做系統單芯片(SoC)設計，因而擁有許多SoC的IP，必須透過(guò)28納米等進(jìn)階制程技術(shù)才能實(shí)現這些SoC。

　　SoC為基礎的ECU設計與MCU為基礎的設計大不同，因為MCU是現成、標準型裝置，因此有各式各樣的工具供選用。然而，SoC并非標準裝置，因此得先選用適當的IP來(lái)打造SoC，而對于OEM而言，工具環(huán)境則較無(wú)受限。

　　一臺汽車(chē)內一般有50個(gè)以上的ECU，而ECU里面又有多重PCB與多重MCU、電源、類(lèi)比等半裝置。Arteris執行長(cháng)認為ECU可多達145個(gè)，而多半是MCU。每個(gè)主要的子系統都擁有1個(gè)SoC，而多數功能由MCU執行。目前改變趨勢在于，汽車(chē)現在由更大的、專(zhuān)門(mén)的子系統組成，而即時(shí)更新的最好方式就是透過(guò)SoC。

　　電動(dòng)汽車(chē)大廠(chǎng)Tesla并沒(méi)有強迫所有廠(chǎng)商一同電子化，但Tesla的策略迫使汽車(chē)廠(chǎng)商重新思考汽車(chē)組成的方式。汽車(chē)的電子架構得重新設計，才能即時(shí)更新，安全芯片得部署于整個(gè)汽車(chē)系統內，而軟體也得重新構思。

　　除了一般條件限制、操作模式、政府規范等挑戰之外，目前ECU設計的最大挑戰之一，是在成本與電力、溫度條件限制之下，讓高效能處理器達到安全功能標準。此外，現代汽車(chē)由至少1億個(gè)原始碼組成，而這些程式原始碼由不同公司與團隊設計，且得符合高需求標準與安全系統，軟體復雜度也成為一大挑戰。

　　然而，汽車(chē)產(chǎn)業(yè)很大一部分由汽車(chē)廠(chǎng)商主導，而一級(Tier 1)與二級(Tier 2)供應商往往對汽車(chē)廠(chǎng)商的要求有求必應。近年ECU設計很大變化之一是汽車(chē)開(kāi)放式系統架構(AUTOSAR) 系統建構，替汽車(chē)廠(chǎng)商定義標準設計方式，讓廠(chǎng)商可以針對ECU軟體定義立下標準、溝通方式、資料類(lèi)型與訊息等等。

　　AUTOSAR也讓汽車(chē)廠(chǎng)商與供應商有更多的訊息交換，將獨立ECU樣本以數位格式傳送給一級供應商作為數位規格標準。汽車(chē)產(chǎn)業(yè)與一般消費性市場(chǎng)不同，得注意許多安全需求與政府規范，因此，從傳統引擎轉型至電子系統的過(guò)程也較為繁瑣。

　　益華電腦(Cadence)的歐洲、中東、及非洲地區汽車(chē)行銷(xiāo)執行長(cháng)Robert Schweiger指出，汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的安全需求與政府規范影響面甚大，連帶間接影響到益華電腦這類(lèi)電子公司及其IP產(chǎn)品。

　　汽車(chē)產(chǎn)業(yè)目前注重減少碳排放，低功耗技術(shù)變得相當重要，而這不僅影響電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展，也針對傳統汽油車(chē)發(fā)展。因為引擎、電源線(xiàn)等設計都會(huì )影響汽車(chē)的總重量，進(jìn)而影響整體碳排放，此外，廠(chǎng)商設計ADAS車(chē)載安全系統時(shí)，也得遵照政府的安全規范。? 益華系統驗證小組(Systems Verification Group)汽車(chē)安全部門(mén)產(chǎn)品管理執行長(cháng)Adam Sherer則指出，在開(kāi)發(fā)汽車(chē)系統時(shí)，往往比照醫療、軍用、航空等產(chǎn)業(yè)驗證標準，不但要執行功能性驗證，也得進(jìn)行安全性驗證，這也使汽車(chē)產(chǎn)業(yè)與一般消費性市場(chǎng)作出區隔。

　　現在，汽車(chē)產(chǎn)業(yè)得想出要如何提供驗證所需的大量資料，而這意味著(zhù)從OEM、一級供應商、IP等環(huán)節都得符合驗證需求，達到以ISO 9000為基礎、可重復、可追蹤的流程，且利用汽車(chē)安全整合等級(ASIL)作為品質(zhì)標準評鑒。

　　而汽車(chē)產(chǎn)業(yè)在過(guò)去一個(gè)世紀以來(lái)，整體朝向安全性、穩定性提升的趨勢發(fā)展。過(guò)去10年間，汽車(chē)產(chǎn)業(yè)也增加“效能”與“連接性”(connectivity)二種趨勢，其中效能包括油耗效能與碳排放效能，而連接性指的是車(chē)載資訊娛樂(lè )系統為主的連接系統，改善人們的駕駛體驗。

　　Ansys-Apache應用工程執行長(cháng)認為，多數現代汽車(chē)由四大電子子系統組成：分別是引擎與動(dòng)力傳動(dòng)控制單位、安全控制子系統、進(jìn)階駕駛輔助子系統，以及車(chē)載資訊娛樂(lè )子系統。而這四大電子子系統會(huì )控制車(chē)體操作與安全性能，或將影響駕駛與用戶(hù)體驗。

　　近年來(lái)電子元件設計、積體電路效能、系統整合等層面提升，也改善汽車(chē)整體安全性、穩定性、效率、以及連接性。不過(guò)，在汽車(chē)運作環(huán)境當中，電子與安全系統設計得有足夠穩定性與抗干擾性，承受攝氏-50~200度的溫差變化與高溫條件、電磁干擾等苛刻條件。

　　汽車(chē)電子元件的溫度穩定性、電子遷移現象(electmigration) 、溫度感知疲乏(thermal aware fatigue)等狀態(tài)得先經(jīng)過(guò)模擬測試驗證，而半導體IC也得經(jīng)過(guò)溫度模擬測試，確認穩定性與壽命影響。

　　這些IC得承受不同程度的電磁干擾，例如感應放電式(inductive discharge)點(diǎn)火系統、電源線(xiàn)放電等高能量干擾，以及天線(xiàn)輻射等低能量干擾。而IC本身設計也得將自身運行中產(chǎn)生的干擾，降至最小量。汽車(chē)所有重要元件都應通過(guò)抗電磁標準認證，像是ISO1152、ISO7673等等。

　　最后，ECU的更新作業(yè)也是很重大的改變。在過(guò)去，汽車(chē)電子系統無(wú)須不斷更新，而現在汽車(chē)廠(chǎng)商為跟上消費性電子發(fā)展，汽車(chē)廠(chǎng)商得導入手動(dòng)或連網(wǎng)軟體更新功能，一有新標準或新應用就能更新ECU，包括車(chē)載資訊娛樂(lè )系統(infotainment)或儀表板(Instrument Cluster)等等。