車(chē)載處理器如何賦能未來(lái)汽車(chē)電子電氣架構？本文告訴你……

汽車(chē)電子電氣架構正在發(fā)生深刻的變革。在這一趨勢下，車(chē)載處理器技術(shù)將如何演進(jìn)？會(huì )進(jìn)化出哪些車(chē)載處理器“新物種”？這些“芯”變化將對汽車(chē)電子的開(kāi)發(fā)帶來(lái)何種影響？……想必這是很多汽車(chē)圈小伙伴都關(guān)心的問(wèn)題。

在日前由中國汽車(chē)工業(yè)協(xié)會(huì )主辦的第12屆中國汽車(chē)論壇上，恩智浦大中華區資深市場(chǎng)經(jīng)理余辰杰先生發(fā)表了題為《車(chē)載處理器賦能未來(lái)汽車(chē)電子電氣架構》的精彩演講，從整車(chē)電子電氣架構演進(jìn)對車(chē)載處理器的機遇與挑戰、恩智浦全新一代16nm車(chē)載實(shí)時(shí)處理器，以及恩智浦車(chē)載處理器生態(tài)圈支持等幾個(gè)方面，進(jìn)行了系統地闡述。

通過(guò)這個(gè)講演，大家可以看到，針對上述業(yè)界關(guān)注的課題，恩智浦已經(jīng)通過(guò)縝密的思考和積極的實(shí)踐，給出了一個(gè)全面的解決方案。我們將本次講演中的精彩內容提煉出來(lái)，在這里與大家分享，希望對大家未來(lái)的汽車(chē)電子開(kāi)發(fā)提供助力。

電子電氣架構是最近大家聊的非常多的話(huà)題，下圖最左側，是傳統的分布式的架構，逐漸會(huì )往以功能為邏輯劃分的域控架構轉變，比如座艙域、智駕域、多合一動(dòng)力域、底盤(pán)域等等。

更新的架構形態(tài)是基于區域控制器的架構，一個(gè)區域控制器所包含的功能取決于相鄰物理結點(diǎn)的的執行器所負責的任務(wù)。舉個(gè)簡(jiǎn)單例子，比如車(chē)的左前域，可能把底盤(pán)，甚至轉向功能結合車(chē)身的部分功能集成進(jìn)來(lái)。

最右端就是最終形態(tài)，整車(chē)電子電器架構圍繞一個(gè)大的中央計算平臺，它可能集成了所有智駕，座艙、車(chē)身等等需要高算力的任務(wù)。然后在邊緣測的結點(diǎn)上，就是一些智能執行器了。

從大的趨勢我們看到，無(wú)論是從域，或者域結合傳統分布式結點(diǎn)的中間方案，還是后面逐漸往區域化過(guò)渡。這其中的好處是什么？

首先域架構肯定會(huì )使我們的軟件更集中，把原來(lái)一些可能邏輯類(lèi)似但分布在不同ECU當中的功能，集成到一個(gè)域控制器當中來(lái)。同時(shí)這樣也會(huì )使得傳感器的輸入和ECU之間的數據交互延遲得到優(yōu)化。還有如OTA升級策略，本來(lái)一個(gè)功能是分布在幾個(gè)ECU結點(diǎn)里，現在也會(huì )集中到一個(gè)ECU中，簡(jiǎn)化了升級流程。

區域控制器的好處就更直觀(guān)了，原來(lái)一些分布在不同物理位置的控制器，現在被集中到了一個(gè)地方。線(xiàn)束重量降低了，原先多個(gè)性能較低的MCU被區域控制器中的高算力實(shí)時(shí)處理器所取代，比如我后面會(huì )著(zhù)重介紹到的恩智浦S32Z/E系列SoC。

汽車(chē)工業(yè)的一個(gè)永恒的話(huà)題就是輕量化，比如通過(guò)寬禁帶半導體功率器件提升動(dòng)力系統的功率密度，同時(shí)電子電器架構的演進(jìn)導致的線(xiàn)速的長(cháng)度和重量的減少也不可忽視。而驅動(dòng)電子電器架構演進(jìn)的底層動(dòng)力是處理器性能的迭代。

在恩智浦看來(lái)，無(wú)論何種電子電器架構，汽車(chē)ECU控制器大致可以分為兩個(gè)大的平臺。一類(lèi)稱(chēng)之為基礎設施平臺，我們認為不管低端車(chē)、高端車(chē)、燃油車(chē)還是新能源車(chē)，總要有動(dòng)力控制部分來(lái)驅動(dòng)汽車(chē)；車(chē)身網(wǎng)絡(luò )樞紐保障ECU間安全可靠的交互數據；還有車(chē)身控制部分，如對門(mén)、窗，座椅等控制等。以上這些我們統稱(chēng)為汽車(chē)的基礎設施平臺。

另外一大類(lèi)，我們定義為可選可且可定制部分，比如有一些車(chē)的定位在智駕功能上，另一些車(chē)則在炫酷的座艙體驗上。這些個(gè)性化的功能固然越來(lái)越被消費者看重，但從車(chē)的本質(zhì)看并不是必須的。

恩智浦無(wú)論在基礎設施平臺還是在可選部分都有著(zhù)非常廣的產(chǎn)品布局?；A平臺上，我們有新近推出的用于動(dòng)力控域控的S32Z/E，網(wǎng)絡(luò )上處理上S32G系列芯片也已經(jīng)被中國眾多主機廠(chǎng)和一級供應商所接受，車(chē)身控制上從上一代功能安全等級相對低一些的S32K1，到現在最高可支持ASIL D級別的S32K3等。

在可拓展平臺上，i.MX系列座艙SoC一直以來(lái)是NXP非常強勢的一個(gè)產(chǎn)品，ADAS 77GHz毫米波雷達上，恩智浦有支持4D成像的最一代S32R SoC產(chǎn)品。

當然視覺(jué)上我們也有S32V這樣的芯片，它定位在一些初階智能駕駛或者環(huán)視為主的低速場(chǎng)景。后面我會(huì )提到，在高階自動(dòng)駕駛端，我們在中國已經(jīng)和像地平線(xiàn)這樣的生態(tài)伙伴有很深入的合作。

談了電子電氣架構的演進(jìn)，談了整個(gè)ECU可以把它分為基礎設施平臺和可選平臺，那映射到處理器芯片上，到底對性能有什么不同要求？

大家可以看到，下圖中越往下，也就是越靠近邊緣側的執行器端，它對處理器的需求基本上是高實(shí)時(shí)性，比如剎車(chē)、油門(mén)踩下去，你會(huì )希望動(dòng)力變化很快體現出來(lái)，這些往往是以實(shí)時(shí)控制算力為衡量指標的，而這些結點(diǎn)的計算邏輯也都是面向信號的。

恩智浦新進(jìn)發(fā)布的S32Z/E產(chǎn)品，已經(jīng)不能歸類(lèi)為MCU了，因為它的實(shí)時(shí)算力已經(jīng)大大超出了傳統的兩三百兆主頻的多核MCU。所以我們把它重新定義為Real-time Processor——實(shí)時(shí)處理器，它在圖片的中間部分。

當然我們也看到有一些車(chē)身區域控制器的設計，雖然他們大多負責實(shí)時(shí)控制，但也已經(jīng)有主機廠(chǎng)已經(jīng)提出了運用SOA架構的設想，不過(guò)目前的主流還是以CAN網(wǎng)絡(luò )為主面向信號的處理方式，強調實(shí)時(shí)性，對I/O的驅動(dòng)能力要求很高。

這個(gè)也是我想給大家分享的，因為從半導體原廠(chǎng)的角度來(lái)看，我們要滿(mǎn)足芯片高算力的需求，一直以來(lái)的做法是不斷迭代先進(jìn)制程，提高集成度，把核的數目做上去，主頻抬上去。但在未來(lái)這么做也許會(huì )越來(lái)越困難，特別是在對類(lèi)MCU的實(shí)時(shí)處理器來(lái)說(shuō)。因為從工藝上講，當傳統CMOS工藝下沉到22nm以下時(shí)，Embedded Flash很難和數字、模擬部分集成到同一個(gè)到硅片上。

我馬上要介紹的S32Z/E是基于16納米制程的，Flash放在哪里？外擴是必然，但你的速率如何保證？當內核達到1GHz的主頻時(shí)，如果想要XiP，內存接口帶寬需要做到多大？而如果只拓展負責存儲的Flash，那我們又不得不擴大昂貴的片內SRAM，附加額外的Shadow Flash，這是一種高成本的實(shí)現。另外還有I/O驅動(dòng)能力的問(wèn)題，16納米的制程如何做3.3伏、5伏的I/O，對車(chē)載控制類(lèi)應用來(lái)說(shuō)這也是必須解決的問(wèn)題。后面我會(huì )介紹S32Z/E是如何克服這些難點(diǎn)的。

接下來(lái)我講一下我們今天的主角，S32Z/E實(shí)時(shí)處理器。如果從傳統認知上看，大家可以把這個(gè)芯片理解為一個(gè)MCU。但這個(gè)MCU的算力有了一個(gè)質(zhì)的飛躍，每個(gè)核的主頻可以達到1GHz，還集成了輕量級的AI的計算能力，可以支持MPC算法，用于諸如自動(dòng)駕駛系統中的橫縱向控制計算。

當然因為它的算力很強，加之豐富的以太網(wǎng)接口能力，相對于傳統MCU，它使支持SOA軟件架構成為可能。還需要強調的是，恩智浦是業(yè)界第一家采用真正意義上的先進(jìn)制程，也就是16nm這個(gè)節點(diǎn)來(lái)實(shí)現車(chē)規實(shí)時(shí)處理器的芯片原廠(chǎng)。另外，正如我前面介紹到的，S32Z/E所對應5納米的下一代產(chǎn)品也已經(jīng)在我們的規劃當中。

什么是實(shí)時(shí)性？這個(gè)概念其實(shí)是不太好界定的，大家可以理解為非?？斓捻憫?，但這個(gè)快是相對的，視應用場(chǎng)景而定。下圖中所列出的這些應用被普遍認為是車(chē)輛電子系統中實(shí)時(shí)性要求相對較高的應用。這也就是我們S32Z、S32E所覆蓋的應用。

我前面提到了，S32Z/E的算力有了一個(gè)質(zhì)的提升，核的數目也非常多，最多可以有八個(gè)，你可以獨立使用，也可以作為四對鎖步核來(lái)使用。下圖左邊就是傳統的電子電氣架構，在這種架構中你可能有一個(gè)集中的動(dòng)力域控制器，下面掛著(zhù)分布式的獨立功能的ECU。

但現在你有了最多可以提供8個(gè)1GHz主頻的S32Z/E，你可能希望把這些功能都集中到一個(gè)控制器，甚至于一顆芯片中來(lái)。

不過(guò)，即便硬件的性能支持你這么做，但是更大的挑戰在軟件和系統的認知。對于一些能力比較強的Tier 1，本身開(kāi)發(fā)過(guò)這些獨立功能的ECU，他們會(huì )非常樂(lè )于接受這樣的芯片，他們可以自己定義一個(gè)新的電子電氣架構，設計出成本更優(yōu)化的產(chǎn)品，最后推薦給主機廠(chǎng)。

但是對于大部分的供應商而言，他們很少有機會(huì )同時(shí)做過(guò)這么多控制器，我認為這個(gè)時(shí)候就會(huì )催生出一個(gè)新的業(yè)務(wù)模式，我把它稱(chēng)作就是“軟件即產(chǎn)品”。即出現一系列專(zhuān)注于某類(lèi)應用上層算法的軟件供應商。當然，要支撐這種軟件業(yè)務(wù)模式，硬件上除了要具備高算力之外，還需要有虛擬化和隔離機制做支撐，使得不同的應用程序互相不干擾的運行。S32Z/E無(wú)論從內核還是SoC架構上都設計了必要的虛擬化隔離機制。

下圖是S32Z/E整個(gè)芯片的框圖，大家可以看到，它的主要計算部分有若干個(gè)Cortex-R52的組合，有四對鎖步的Cortex-R52，它是主要被用來(lái)做業(yè)務(wù)邏輯的。還有一個(gè)深藍色的Cortex-M33的鎖步核，我們稱(chēng)之為System Manager，它可以被用來(lái)完成一些系統功能，比如做Secure Boot，或者做整個(gè)芯片系統的功能安全監控等，和處理主業(yè)務(wù)邏輯的Cortex-R52完全隔離開(kāi)來(lái)。

計算部分，我們還集成了一個(gè)DSP核，可以完成一些輕量級機器學(xué)習業(yè)務(wù)，主要針對ADAS上的，比如基于MPC的橫縱向控制算法，因為它往往需要很多的浮點(diǎn)算力，如果是要跑在傳統的邏輯核上面，它效率是非常低的，因為Simulink MPC Toolbox生成出來(lái)的代碼很多是基于Vector C的庫的。

再來(lái)看網(wǎng)絡(luò )安全引擎HSE——S32Z/E集成的HSE加密引擎支持目前業(yè)界所有主流的對稱(chēng)和非對稱(chēng)加密算法。這里還要重點(diǎn)介紹一下S32Z/E中集成的一個(gè)網(wǎng)關(guān)子系統，稱(chēng)之為FlexLLCE，它是由兩對四百兆主頻的M33核負責調度，通過(guò)一個(gè)CAN Hub支配24個(gè)CAN Controller組成的一個(gè)的CAN網(wǎng)關(guān)子系統。所有的CAN網(wǎng)關(guān)相關(guān)的功能，可以完全在這個(gè)子系統進(jìn)行閉環(huán)處理。

還有我們集成了博世最先進(jìn)的GTM4.1，這是用來(lái)做高精度PWM輸出的，主要應用場(chǎng)景包括發(fā)動(dòng)機噴油點(diǎn)火，新能源汽車(chē)的主驅控制。當然我們也有TSN支撐的以太網(wǎng)接口。

最后說(shuō)一下存儲器部分，因為這是一顆16納米制程的芯片，以目前的工藝水平無(wú)法集成Embedded Flash，所以我們需要一個(gè)額外的Flash Shadow放在外部，我們在系統初始化時(shí)會(huì )把存這個(gè)Shadow Flash里面的程序，直接加載到內部高達19MB的SRAM里面去。這樣做的好處顯而易見(jiàn)，因為SRAM的運行速度肯定會(huì )快。我們還會(huì )提供LPDDR4以及Hpyerbus 接口，可以方便用戶(hù)靈活拓展高速存儲介質(zhì)。

下圖右邊的S32E2，是S32Z2的一個(gè)升級，它主要彌補了S32Z2對5V模擬I/O支持不足的問(wèn)題。

恩智浦公司作為全球領(lǐng)先的汽車(chē)處理器供應商，在芯片底層軟件上的投入是非常大的，無(wú)論從MCAL、HSE Firmware，還是一些私有的網(wǎng)絡(luò )加速器IP的驅動(dòng)上，恩智浦都投入了大量的研發(fā)資源。

但這并不意味著(zhù)在“軟件定義汽車(chē)”的新時(shí)代里恩智浦會(huì )成為一個(gè)軟件公司，事實(shí)上我們也只能聚焦在和硬件最緊密相關(guān)的底層軟件上，這就是為什么我們需要一個(gè)很強大的生態(tài)。比如在A(yíng)UTOSAR軟件中，MCAL和HSE Firmware只是和硬件相關(guān)的驅動(dòng)層，而整個(gè)AUTOSAR框架中大部分模塊是和硬件無(wú)關(guān)的上層協(xié)議棧。

過(guò)去我們依靠Vector、EB這類(lèi)國際軟件供應商為恩智浦全球的客戶(hù)提供這類(lèi)軟件，今天我們在中國也有像普華、東軟這樣的優(yōu)質(zhì)生態(tài)合作伙伴專(zhuān)門(mén)服務(wù)本土客戶(hù)。另外和硬件生態(tài)合作伙伴上，我們也有非常多的實(shí)踐，比如在高等級自動(dòng)駕駛方案上，我們就選擇了和地平線(xiàn)公司合作，一起開(kāi)發(fā)了基于地平線(xiàn)征程5和恩智浦S32G的Matrix Superdrive參考設計，該方案也已經(jīng)被許多中國主機廠(chǎng)所接受。

恩智浦作為一家深耕中國市場(chǎng)的外資芯片原廠(chǎng)，一直把拓展本土生態(tài)圈作為工作重點(diǎn)。我們深信恩智浦在中國的成功離不開(kāi)本土生態(tài)合作伙伴的支持和幫助。