1. 控制類芯片介紹
控制類芯片主要就是指MCU(Microcontroller Unit),即微控制器,,又叫單片機(jī),,是把CPU的主頻與規(guī)格做適當(dāng)縮減,并將存儲(chǔ)器,、定時(shí)器,、A/D轉(zhuǎn)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(xiàn)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),。
汽車是MCU的一個(gè)非常重要的應(yīng)用領(lǐng)域,,據(jù)IC Insights數(shù)據(jù),2019年全球MCU應(yīng)用于汽車電子的占比約為33%,。高端車型中每輛車用到的MCU數(shù)量接近100個(gè),,從行車電腦、液晶儀表,,到發(fā)動(dòng)機(jī),、底盤,汽車中大大小小的組件都需要MCU進(jìn)行把控,。早期,,汽車中應(yīng)用的主要是8位和16位MCU,但隨著汽車電子化和智能化不斷加強(qiáng),,所需要的MCU數(shù)量與質(zhì)量也不斷提高,。當(dāng)前,32位MCU在汽車MCU中的占比已經(jīng)達(dá)到了約60%,,其中ARM公司的Cortex系列內(nèi)核,,因其成本低廉,功耗控制優(yōu)異,,是各汽車MCU廠商的主流選擇,。
汽車MCU的主要參數(shù)包括工作電壓,、運(yùn)行主頻、Flash和RAM容量,、定時(shí)器模塊和通道數(shù)量,、ADC模塊和通道數(shù)量、串行通訊接口種類和數(shù)量,、輸入輸出I/O口數(shù)量,、工作溫度、封裝形式及功能安全等級(jí)等,。
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,,正在逐漸替代過去由8/16位MCU主導(dǎo)的應(yīng)用和市場,。
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,。其中對于座艙域和智駕域來說,,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MCU的算力要求相對較低,,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)。
2. 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?;谶@種應(yīng)用場景,,對底盤域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(國密算法),;
?。?)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:通常可以使用DMIPS來進(jìn)行評(píng)估,。DMIPS是指測量MCU綜合的基準(zhǔn)程序的測試程序時(shí)表現(xiàn)出來的相對性能高低的一個(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,對底盤域的ECU選擇也會(huì)不一樣,。這些區(qū)分都會(huì)造成對底盤域的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年中國品牌乘用車產(chǎn)量約為1000萬輛,,其中單車底盤域MCU平均需求量為5顆,整個(gè)市場總量就達(dá)到了約5000萬顆,。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。這五家國際半導(dǎo)體廠商在底盤域MCU的市場占比超過了99%,。
?。?)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)用場景對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)方面國內(nèi)的車規(guī)MCU產(chǎn)線尚不完備,,沒有達(dá)到量產(chǎn)級(jí)別。國際半導(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)趨勢看,,短期內(nèi)GPU仍將是AI芯片主導(dǎo),長期來看,,ASIC是終極方向,。從市場趨勢看,全球AI芯片需求將保持較快增長勢頭,,云端,、邊緣芯片均具備較大增長潛力,預(yù)計(jì)未來5年市場增速將接近50%,;國內(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)和能力成長創(chuàng)造機(jī)遇,。自動(dòng)駕駛對算力,、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有望獲得市場空間。
CPU芯片上需要很多空間來進(jìn)行分支預(yù)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(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)算單元和超長的流水線,只有非常簡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,。
3. 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(nèi)SRAM以支撐汽車應(yīng)用對于算力和內(nèi)存日益增長的需求。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,。
4. 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。
?。?)工作要求
汽車電子對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)用場景對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,。
?。?)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),。
· 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(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,。
· 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,,支持閏年萬年歷,鬧鐘事件,,周期性喚醒,。
· 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,。
· 支持時(shí)鐘失效監(jiān)測,,防拆監(jiān)測。
· 具有96位UID及128位UCID,。
· 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)不論是對國外企業(yè)還是國內(nèi)企業(yè)都處于成長初期,。國外企業(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),。而國內(nèi)企業(yè)新能源車車身應(yīng)用上具有一定優(yōu)勢。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等國際芯片廠商,,國產(chǎn)芯片廠商目前市場占有率低,。
(4)行業(yè)壁壘
從通信角度來看,存在傳統(tǒng)架構(gòu)-混合架構(gòu)-最終的Vehicle Computer Platform的演變過程,。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,。相對來說,,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)國產(chǎn)替代,。近年來,國產(chǎn)MCU在車身域前后裝市場已經(jīng)有了非常良好的發(fā)展勢頭,。
5. 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,但不管是之前的信息娛樂系統(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,,使得對座艙域MCU資源要求也越來越高。具體體現(xiàn)在FLASH,、RAM容量需求越來越大,,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;
?。?)性能要求
· IO支持寬電壓供電(5.5v~2.7v),,IO口支持過壓使用;
很多信號(hào)輸入根據(jù)供電電池電壓波動(dòng),,存在過壓輸入情況,,IO口支持過壓使用能提升系統(tǒng)穩(wěn)定,、可靠性。
· 存儲(chǔ)器壽命:
汽車生命周期長達(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)。
· 通信總線接口,;
汽車上總線通信負(fù)荷量越來越高,,因此傳統(tǒng)CAN已不能滿足通信需求,高速CAN-FD總線需求越來越高,,支持CAN-FD逐漸成為MCU標(biāo)配,。
(3)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(yīng)商仍然是NXP,、 Renesas,、Infineon、ST,、Microchip等國際MCU廠商,。國內(nèi)有多家MCU廠商已在布局,市場表現(xiàn)還有待觀察,。
?。?)行業(yè)壁壘
智能座艙車規(guī)等級(jí)、功能安全等級(jí)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(nèi)晶圓廠有車規(guī)MCU產(chǎn)線的不多,,制程也相對落后一些,,若要實(shí)現(xiàn)全國產(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,,與國際廠商競爭壓力更大,。
6. 國產(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,國產(chǎn)龍頭企業(yè)如紫光國微,、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,、國民技術(shù)等,均有車規(guī)級(jí)MCU產(chǎn)品序列,,對標(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),。
目前國產(chǎn)車載控制域芯片主要應(yīng)用于汽車前裝市場,,在車身域、信息娛樂域?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,、意法等芯片巨頭為主,,國內(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)國內(nèi)高端高安全級(jí)別車規(guī)MCU市場的空白,。芯馳E3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100多家,,包含廣汽、吉利等,。
以上內(nèi)容整理自中國汽車芯片聯(lián)盟公眾號(hào),。
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