什么是車規(guī)級(jí)MCU？一鍵掃盲
發(fā)布人：xiaomaidashu
時(shí)間：2023-07-10
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按CPU位數(shù)劃分，汽車MCU主要可分為8位、16位和32位。隨著工藝升級(jí)，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(dǎo)的應(yīng)用和市場(chǎng)。
如果按應(yīng)用領(lǐng)域劃分，汽車MCU又可以分為車身域、動(dòng)力域、底盤域、座艙域和智駕域。其中對(duì)于座艙域和智駕域來(lái)說(shuō)，MCU需要有較高的運(yùn)算能力，并具有高速的外部通訊接口，比如CAN FD和以太網(wǎng)，車身域同樣要求有較多的外部通訊接口數(shù)量，但對(duì)MCU的算力要求相對(duì)較低，而動(dòng)力域和底盤域則要求更高的工作溫度和功能安全等級(jí)。
底盤域控制芯片
底盤域是與汽車行駛相關(guān)，由傳動(dòng)系統(tǒng)、行駛系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和制動(dòng)系統(tǒng)共同構(gòu)成，有五大子系統(tǒng)構(gòu)成，分別為轉(zhuǎn)向、制動(dòng)、換擋、油門、懸掛系統(tǒng)，隨著汽車智能化發(fā)展，智能汽車的感知識(shí)別、決策規(guī)劃、控制執(zhí)行為底盤域核心系統(tǒng)，線控轉(zhuǎn)向和線控制動(dòng)是面向自動(dòng)駕駛執(zhí)行端的核心零部件。
（1）工作要求
底盤域ECU采用高性能、可升級(jí)的功能安全性平臺(tái)，并支持傳感器群集及多軸慣性傳感器。基于這種應(yīng)用場(chǎng)景，對(duì)底盤域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(chǔ)空間不低于2MB，具有代碼Flash和數(shù)據(jù)Flash物理分區(qū)；· RAM不低于512KB；· 高功能安全等級(jí)要求，可以達(dá)到ASIL-D等級(jí)；· 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AEC-Q100 Grade1；· 支持在線升級(jí)（OTA）；· 支持固件驗(yàn)證功能（國(guó)密算法）；（2）性能要求· 內(nèi)核部分：I.內(nèi)核主頻：即內(nèi)核工作時(shí)的時(shí)鐘頻率，用于表示內(nèi)核數(shù)字脈沖信號(hào)震蕩的速度，主頻不能直接代表內(nèi)核的運(yùn)算速度。內(nèi)核的運(yùn)算速度還和內(nèi)核的流水線、緩存、指令集等有關(guān)系；II.算力：通?？梢允褂肈MIPS來(lái)進(jìn)行評(píng)估。DMIPS是指測(cè)量MCU綜合的基準(zhǔn)程序的測(cè)試程序時(shí)表現(xiàn)出來(lái)的相對(duì)性能高低的一個(gè)單位。· 存儲(chǔ)器參數(shù)：I.代碼存儲(chǔ)器：用于存放代碼的存儲(chǔ)器；II.數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器：用于存放數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器；III.RAM：用于存放臨時(shí)數(shù)據(jù)和代碼的存儲(chǔ)器。· 通信總線：包括汽車專用總線和常規(guī)通信總線；· 高精度外設(shè)；· 工作溫度；
（3）產(chǎn)業(yè)格局
由于不同車廠采用的電子電氣架構(gòu)會(huì)有所區(qū)別，對(duì)底盤域的零部件需求會(huì)有所不同。同一車廠的不同車型由于高低配置不同，對(duì)底盤域的ECU選擇也會(huì)不一樣。這些區(qū)分都會(huì)造成對(duì)底盤域的MCU需求量會(huì)有所不同。例如本田雅閣的底盤域MCU芯片使用了3顆，奧迪Q7采用了大約11顆底盤域的MCU芯片。2021年中國(guó)品牌乘用車產(chǎn)量約為1000萬(wàn)輛，其中單車底盤域MCU平均需求量為5顆，整個(gè)市場(chǎng)總量就達(dá)到了約5000萬(wàn)顆。整個(gè)底盤域MCU的主要供貨商為英飛凌、恩智浦、瑞薩、Microchip、TI和ST。這五家國(guó)際半導(dǎo)體廠商在底盤域MCU的市場(chǎng)占比超過(guò)了99%。（4）行業(yè)壁壘
關(guān)鍵技術(shù)角度，EPS、EPB、ESC等底盤域的零部件均與駕駛員的生命安全息息相關(guān)，因此對(duì)底盤域MCU的功能安全等級(jí)要求非常高，基本上都是ASIL-D等級(jí)的要求。這個(gè)功能安全等級(jí)的MCU國(guó)內(nèi)屬于空白。除了功能安全等級(jí)，底盤域零部件的應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)MCU的主頻、算力、存儲(chǔ)器容量、外設(shè)性能、外設(shè)精度等方面均有非常高的要求。底盤域MCU形成了非常高的行業(yè)壁壘，需要國(guó)產(chǎn)MCU廠商去挑戰(zhàn)和攻破。
供應(yīng)鏈方面，由于底盤域零部件需要控制芯片具有高主頻、高算力的要求，這對(duì)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以上的工藝才能滿足200MHz以上的MCU主頻要求。在這個(gè)方面國(guó)內(nèi)的車規(guī)MCU產(chǎn)線尚不完備，沒(méi)有達(dá)到量產(chǎn)級(jí)別。國(guó)際半導(dǎo)體廠商基本上都采用了IDM模式，在晶圓代工廠方面，目前只有臺(tái)積電、聯(lián)華電子和格芯具備相應(yīng)能力。國(guó)內(nèi)芯片廠商均為Fabless公司，在晶圓制造和產(chǎn)能保證上面具有挑戰(zhàn)和一定的風(fēng)險(xiǎn)。
在自動(dòng)駕駛等核心計(jì)算場(chǎng)景中，傳統(tǒng)通用CPU由于計(jì)算效率低，難以適應(yīng)AI計(jì)算要求，GPU、FPGA以及ASIC等AI芯片憑借著自身特點(diǎn)，在邊緣端和云端有著優(yōu)異表現(xiàn)，應(yīng)用更廣。從技術(shù)趨勢(shì)看，短期內(nèi)GPU仍將是AI芯片主導(dǎo)，長(zhǎng)期來(lái)看，ASIC是終極方向。從市場(chǎng)趨勢(shì)看，全球AI芯片需求將保持較快增長(zhǎng)勢(shì)頭，云端、邊緣芯片均具備較大增長(zhǎng)潛力，預(yù)計(jì)未來(lái)5年市場(chǎng)增速將接近50%；國(guó)內(nèi)芯片技術(shù)雖然基礎(chǔ)較弱，但隨著AI應(yīng)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(zhǎng)創(chuàng)造機(jī)遇。自動(dòng)駕駛對(duì)算力、時(shí)延和可靠性要求嚴(yán)苛，目前多使用GPU+FPGA的解決方案，后續(xù)隨著算法的穩(wěn)定以及數(shù)據(jù)驅(qū)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(yù)測(cè)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(yùn)算與通用類型數(shù)據(jù)運(yùn)算。以GPU與CPU進(jìn)行比較為例，與CPU相比，GPU 采用了數(shù)量眾多的計(jì)算單元和超長(zhǎng)的流水線，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(jù)了大量空間，而且還有復(fù)雜的控制邏輯和諸多優(yōu)化電路，相比之下計(jì)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(xiàn)變速器管理，電池管理，監(jiān)控交流發(fā)電機(jī)調(diào)節(jié)，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(jié)電、總線通信等功能。（1）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(yīng)用，其要求如下：· 高主頻，主頻600MHz~800MHz· RAM 4MB· 高功能安全等級(jí)要求，可以達(dá)到ASIL-D等級(jí)；· 支持多通道CAN-FD；· 支持2G以太網(wǎng)；· 可靠性不低于AEC-Q100 Grade1；· 支持固件驗(yàn)證功能（國(guó)密算法）；（2）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(nèi)SRAM以支撐汽車應(yīng)用對(duì)于算力和內(nèi)存日益增長(zhǎng)的需求。ARM Cortex-R5F CPU主頻高達(dá)800MHz。高安全：車規(guī)可靠性標(biāo)準(zhǔn)AEC-Q100達(dá)到Grade 1級(jí)別，ISO26262功能安全等級(jí)達(dá)到ASIL D。采用的雙核鎖步CPU，可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)99%的診斷覆蓋率。內(nèi)置的信息安全模塊集成真隨機(jī)數(shù)生成器、AES、RSA、ECC、SHA以及符合國(guó)密商密相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的硬件加速器。這些信息安全功能的集成可以滿足安全啟動(dòng)、安全通信、安全固件更新升級(jí)等應(yīng)用的需求。
車身域控制芯片
車身域主要負(fù)責(zé)車身各種功能的控制。隨著整車發(fā)展，車身域控制器也越來(lái)越多，為了降低控制器成本，降低整車重量，集成化需要把所有的功能器件，從車頭的部分、車中間的部分和車尾部的部分如后剎車燈、后位置燈、尾門鎖、甚至雙撐桿統(tǒng)一集成到一個(gè)總的控制器里面。車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(diào)節(jié)、后視鏡控制、空調(diào)控制等功能，綜合統(tǒng)一管理各執(zhí)行器，合理有效地分配系統(tǒng)資源。車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。
車身域控制器功能表※資料來(lái)源：公開資料、編寫單位提供（1）工作要求
汽車電子對(duì)MCU控制芯片的主要訴求為更好的穩(wěn)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(jì)算性能和存儲(chǔ)容量，更低的功耗指標(biāo)要求。車身域控制器從分散化的功能部署，逐漸過(guò)渡到集成所有車身電子的基礎(chǔ)驅(qū)動(dòng)、鑰匙功能、車燈、車門、車窗等的大控制器，車身域控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)綜合了燈光、雨刮洗滌、中控門鎖、車窗等控制，PEPS智能鑰匙、電源管理等，以及網(wǎng)關(guān)CAN、可擴(kuò)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發(fā)設(shè)計(jì)技術(shù)。
在總體上講，車身域上述各種控制功能對(duì)MCU主控芯片的工作要求主要體現(xiàn)在運(yùn)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身域不同功能應(yīng)用場(chǎng)景的功能差異性較大，例如電動(dòng)車窗、自動(dòng)座椅、電動(dòng)尾門等車身應(yīng)用還存在高效電機(jī)控制方面的需求，這類車身應(yīng)用要求MCU集成有FOC電控算法等功能。此外，車身域不同應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)芯片的接口配置需求也不盡相同。因此，通常需要根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)景的功能和性能要求，并在此基礎(chǔ)上綜合衡量產(chǎn)品性價(jià)比、供貨能力與技術(shù)服務(wù)等因素進(jìn)行車身域MCU選型。（2）性能要求車身域控制類MCU芯片主要參考指標(biāo)如下：· 性能：ARM Cortex-M4F @144MHz，180DMIPS，內(nèi)置8KB指令Cache緩存，支持Flash加速單元執(zhí)行程序0等待。· 大容量加密存儲(chǔ)器：高達(dá)512K Bytes eFlash，支持加密存儲(chǔ)、分區(qū)管理及數(shù)據(jù)保護(hù)，支持ECC校驗(yàn)，10萬(wàn)次擦寫次數(shù)，10年數(shù)據(jù)保持；144K Bytes SRAM，支持硬件奇偶校驗(yàn)?！?nbsp;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?！?nbsp;集成高性能模擬器件：支持12bit 5Msps高速ADC、軌到軌獨(dú)立運(yùn)算放大器、高速模擬比較器、12bit 1Msps DAC；支持外部輸入獨(dú)立參考電壓源，多通道電容式觸摸按鍵；高速DMA控制器?！?nbsp;支持內(nèi)部RC或外部晶體時(shí)鐘輸入、高可靠性復(fù)位。· 內(nèi)置可校準(zhǔn)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?！?nbsp;支持高精度定時(shí)計(jì)數(shù)器。· 硬件級(jí)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(chǔ)加密，多用戶分區(qū)管理（MMU），TRNG真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，CRC16/32運(yùn)算；支持寫保護(hù)（WRP），多種讀保護(hù)（RDP）等級(jí)（L0/L1/L2）；支持安全啟動(dòng)，程序加密下載，安全更新?！?nbsp;支持時(shí)鐘失效監(jiān)測(cè)，防拆監(jiān)測(cè)?！?nbsp;具有96位UID及128位UCID?！?nbsp;高可靠工作環(huán)境：1.8V～3.6V/-40℃～105℃。（3）產(chǎn)業(yè)格局
車身域電子系統(tǒng)不論是對(duì)國(guó)外企業(yè)還是國(guó)內(nèi)企業(yè)都處于成長(zhǎng)初期。國(guó)外企業(yè)在如BCM、PEPS、門窗、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)品線覆蓋面較廣，為他們做系統(tǒng)集成產(chǎn)品奠定了基礎(chǔ)。而國(guó)內(nèi)企業(yè)新能源車車身應(yīng)用上具有一定優(yōu)勢(shì)。以BYD為例，在BYD的新能源車上，將車身域分為左右后三個(gè)域，重新布局和定義系統(tǒng)集成的產(chǎn)品。但是在車身域控制芯片方面，MCU的主要供貨商為仍然為英飛凌、恩智浦、瑞薩、Microchip、ST等國(guó)際芯片廠商，國(guó)產(chǎn)芯片廠商目前市場(chǎng)占有率低。（4）行業(yè)壁壘
從通信角度來(lái)看，存在傳統(tǒng)架構(gòu)-混合架構(gòu)-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(chǔ)算力的價(jià)格降低是關(guān)鍵，未來(lái)有可能逐步實(shí)現(xiàn)在基礎(chǔ)控制器的電子層面兼容不同的功能。例如車身域控制器能夠集成傳統(tǒng)BCM、PEPS、紋波防夾等功能。相對(duì)來(lái)說(shuō)，車身域控制芯片的技術(shù)壁壘要低于動(dòng)力域、駕艙域等，國(guó)產(chǎn)芯片有望率先在車身域取得較大突破并逐步實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)替代。近年來(lái)，國(guó)產(chǎn)MCU在車身域前后裝市場(chǎng)已經(jīng)有了非常良好的發(fā)展勢(shì)頭。座艙域控制芯片電動(dòng)化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化加快了汽車電子電氣架構(gòu)向域控方向發(fā)展，座艙域也在從車載影音娛樂(lè)系統(tǒng)到智能座艙快速發(fā)展。座艙以人機(jī)交互界面呈現(xiàn)出來(lái)，但不管是之前的信息娛樂(lè)系統(tǒng)還是現(xiàn)在的智能座艙，除了有一顆運(yùn)算速度強(qiáng)大的SOC，還需要一顆實(shí)時(shí)性高的MCU來(lái)處理與整車的數(shù)據(jù)交互。軟件定義汽車、OTA、Autosar在智能座艙域的逐漸普及，使得對(duì)座艙域MCU資源要求也越來(lái)越高。具體體現(xiàn)在FLASH、RAM容量需求越來(lái)越大，PIN Count需求也在增多，更復(fù)雜的功能需要更強(qiáng)的程序執(zhí)行能力，同時(shí)還要有更豐富的總線接口。（1）工作要求MCU在座艙域主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)電源管理、上電時(shí)序管理、網(wǎng)絡(luò)管理、診斷、整車數(shù)據(jù)交互、按鍵、背光管理、音頻DSP/FM模塊管理、系統(tǒng)時(shí)間管理等功能。MCU資源要求：· 對(duì)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(chǔ)空間不低于1MB，具有代碼Flash和數(shù)據(jù)Flash物理分區(qū)；· RAM不低于128KB；· 高功能安全等級(jí)要求，可以達(dá)到ASIL-B等級(jí)；· 支持多路ADC；· 支持多路CAN-FD；· 車規(guī)等級(jí)AEC-Q100 Grade1；· 支持在線升級(jí)（OTA），F(xiàn)lash支持雙Bank；· 需要有SHE/HSM-light等級(jí)及以上信息加密引擎，支持安全啟動(dòng)；· Pin Count不低于100PIN；（2）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(hào)輸入根據(jù)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(tǒng)穩(wěn)定、可靠性?！?nbsp;存儲(chǔ)器壽命：汽車生命周期長(zhǎng)達(dá)10年以上，因此汽車MCU程序存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需要有更長(zhǎng)的壽命。程序存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需要有單獨(dú)物理分區(qū)，其中程序存儲(chǔ)擦寫次數(shù)較少，因此Endurance>10K即可，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需要頻繁擦寫，需要有更大的擦寫次數(shù)，參考data flash指標(biāo)Endurance>100K, 15年(<1K)，10年(<100K)?！?nbsp;通信總線接口；汽車上總線通信負(fù)荷量越來(lái)越高，因此傳統(tǒng)CAN已不能滿足通信需求，高速CAN-FD總線需求越來(lái)越高，支持CAN-FD逐漸成為MCU標(biāo)配。（3）產(chǎn)業(yè)格局
目前國(guó)產(chǎn)智能座艙MCU占比還很低，主要供應(yīng)商仍然是NXP、 Renesas、Infineon、ST、Microchip等國(guó)際MCU廠商。國(guó)內(nèi)有多家MCU廠商已在布局，市場(chǎng)表現(xiàn)還有待觀察。（4）行業(yè)壁壘智能座艙車規(guī)等級(jí)、功能安全等級(jí)相對(duì)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(guó)內(nèi)晶圓廠有車規(guī)MCU產(chǎn)線的不多，制程也相對(duì)落后一些，若要實(shí)現(xiàn)全國(guó)產(chǎn)供應(yīng)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(guó)際廠商競(jìng)爭(zhēng)壓力更大。國(guó)產(chǎn)控制芯片應(yīng)用情況車載控制類芯片主要以車載MCU為主，國(guó)產(chǎn)龍頭企業(yè)如紫光國(guó)微、華大半導(dǎo)體、上海芯鈦、兆易創(chuàng)新、杰發(fā)科技、芯馳科技、北京君正、深圳曦華、上海琪埔維、國(guó)民技術(shù)等，均有車規(guī)級(jí)MCU產(chǎn)品序列，對(duì)標(biāo)海外巨頭產(chǎn)品，目前以ARM架構(gòu)為主，也有部分企業(yè)開展了RISC-V架構(gòu)的研發(fā)。
目前國(guó)產(chǎn)車載控制域芯片主要應(yīng)用于汽車前裝市場(chǎng)，在車身域、信息娛樂(lè)域?qū)崿F(xiàn)了上車應(yīng)用，而在底盤、動(dòng)力域等領(lǐng)域，仍以海外意法半導(dǎo)體、恩智浦、德州儀器、微芯半導(dǎo)體等芯片巨頭為主，國(guó)內(nèi)僅有少數(shù)幾家企業(yè)已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)應(yīng)用。目前國(guó)內(nèi)芯片廠商芯馳在2022年4月發(fā)布高性能控制芯片E3系列產(chǎn)品基于ARM Cortex-R5F，功能安全等級(jí)達(dá)到ASIL D，溫度等級(jí)支持AEC-Q100 Grade 1，CPU主頻高達(dá)800MHz，具有高達(dá)6個(gè)CPU內(nèi)核，是現(xiàn)有量產(chǎn)車規(guī)MCU中性能最高的產(chǎn)品，填補(bǔ)國(guó)內(nèi)高端高安全級(jí)別車規(guī)MCU市場(chǎng)的空白，憑借高性能和高可靠性，可以用于BMS、ADAS、VCU、線控底盤、儀表、HUD、智能后視鏡等核心車控領(lǐng)域。采用E3進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)的客戶已經(jīng)超過(guò)100多家，包含廣汽、吉利等。
國(guó)產(chǎn)控制器芯產(chǎn)品應(yīng)用情況
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