控制类芯片介绍 控制类芯片主要就是指 MCU ( Microcontroller Unit ),即微控制器,又叫单片机,是把 CPU 的主频与规格做适当缩减,并将存储器、定时器、 A/D 转换、时钟、 I/O 端口及串行通讯等多种功能模块和接口集成在单个芯片上,实现终端控制的功能,具有性能高、功耗低、可编程、灵活度高等优点。 车规级 MCU 示意图 汽车是 MCU 的一个非常重要的应用领域,据 IC Insights 数据, 2019 年全球 MCU 应用于汽车电子的占比约为 33% 。高端车型中每辆车用到的 MCU 数量接近 100 个,从行车电脑、液晶仪表,到发动机、底盘,汽车中大大小小的组件都需要 MCU 进行把控。早期,汽车中应用的主要是 8 位和 16 位 MCU ,但随着汽车电子化和智能化不断加强,所需要的 MCU 数量与质量也不断提高。当前, 32 位 MCU 在汽车 MCU 中的占比已经达到了约 60% ,其中 ARM 公司的 Cortex 系列内核,因其成本低廉,功耗控制优异,是各汽车 MCU 厂商的主流选择。 汽车 MCU 的主要参数包括工作电压、运行主频、 Flash 和 RAM 容量、定时器模块和通道数量、 ADC 模块和通道数量、串行通讯接口种类和数量、输入输出 I/O 口数量、工作温度、封装形式及功能安全等级等。 按 CPU 位数划分,汽车 MCU 主要可分为 8 位、 16 位和 32 位。随着工艺升级, 32 位 MCU 成本不断下降,目前已经成为主流,正在逐渐替代过去由 8/16 位 MCU 主导的应用和市场。 如果按应用领域划分,汽车 MCU 又可以分为车身域、动力域、底盘域、座舱域和智驾域。其中对于座舱域和智驾域来说, MCU 需要有较高的运算能力,并具有高速的外部通讯接口,比如 CAN FD 和以太网,车身域同样要求有较多的外部通讯接口数量,但对 MCU 的算力要求相对较低,而动力域和底盘域则要求更高的工作温度和功能安全等级。 底盘域控制芯片 底盘域是与汽车行驶相关,由传动系统、行驶系统、转向系统和制动系统共同构成,有五大子系统构成,分别为转向、制动、换挡、油门、悬挂系统,随着汽车智能化发展,智能汽车的感知识别、决策规划、控制执行为底盘域核心系统,线控转向和线控制动是面向自动驾驶执行端的核心零部件。 ( 1 )工作要求 底盘域 ECU 采用高性能、可升级的功能安全性平台,并支持传感器群集及多轴惯性传感器。基于这种应用场景,对底盘域 MCU 提出如下需求: · 高主频和高算力要求,主频不低于 200MHz 且算力不低于 300DMIPS · Flash 存储空间不低于 2MB ,具有代码 Flash 和数据 Flash 物理分区; · RAM 不低于 512KB ; · 高功能安全等级要求,可以达到 ASIL-D 等级; · 支持 12 位精度 ADC ; · 支持 32 位高精度,高同步性定时器; · 支持多通道 CAN-FD ; · 支持不低于 100M 以太网; · 可靠性不低于 AEC-Q100 Grade1 ; · 支持在线升级( OTA ); · 支持固件验证功能(国密算法); ( 2 )性能要求 · 内核部分: I. 内核主频:即内核工作时的时钟频率,用于表示内核数字脉冲信号震荡的速度,主频不能直接代表内核的运算速度。内核的运算速度还和内核的流水线、缓存、指令集等有关系; II. 算力:通常可以使用 DMIPS 来进行评估。 DMIPS 是指测量 MCU 综合的基准程序的测试程序时表现出来的相对性能高低的一个单位。 · 存储器参数: I. 代码存储器:用于存放代码的存储器; II. 数据存储器:用于存放数据的存储器; III.RAM :用于存放临时数据和代码的存储器。 · 通信总线:包括汽车专用总线和常规通信总线; · 高精度外设; · 工作温度; ( 3 )产业格局 由于不同车厂采用的电子电气架构会有所区别,对底盘域的零部件需求会有所不同。同一车厂的不同车型由于高低配置不同,对底盘域的 ECU 选择也会不一样。这些区分都会造成对底盘域的 MCU 需求量会有所不同。例如本田雅阁的底盘域 MCU 芯片使用了 3 颗,奥迪 Q7 采用了大约 11 颗底盘域的 MCU 芯片。 2021 年中国品牌乘用车产量约为 1000 万辆,其中单车底盘域 MCU 平均需求量为 5 颗,整个市场总量就达到了约 5000 万颗。整个底盘域 MCU 的主要供货商为英飞凌、恩智浦、瑞萨、 Microchip 、 TI 和 ST 。这五家国际半导体厂商在底盘域 MCU 的市场占比超过了 99% 。 ( 4 )行业壁垒 关键技术角度, EPS 、 EPB 、 ESC 等底盘域的零部件均与驾驶员的生命安全息息相关,因此对底盘域 MCU 的功能安全等级要求非常高,基本上都是 ASIL-D 等级的要求。这个功能安全等级的 MCU 国内属于空白。除了功能安全等级,底盘域零部件的应用场景对 MCU 的主频、算力、存储器容量、外设性能、外设精度等方面均有非常高的要求。底盘域 MCU 形成了非常高的行业壁垒,需要国产 MCU 厂商去挑战和攻破。 供应链方面,由于底盘域零部件需要控制芯片具有高主频、高算力的要求,这对晶圆生产的工艺和制程方面提出了比较高的要求。目前看来至少需要 55nm 以上的工艺才能满足 200MHz 以上的 MCU 主频要求。在这个方面国内的车规 MCU 产线尚不完备,没有达到量产级别。国际半导体厂商基本上都采用了 IDM 模式,在晶圆代工厂方面,目前只有台积电、联华电子和格芯具备相应能力。国内芯片厂商均为 Fabless 公司,在晶圆制造和产能保证上面具有挑战和一定的风险。 在自动驾驶等核心计算场景中,传统通用 CPU 由于计算效率低,难以适应 AI 计算要求, GPU 、 FPGA 以及 ASIC 等 AI 芯片凭借着自身特点,在边缘端和云端有着优异表现,应用更广。从技术趋势看,短期内 GPU 仍将是 AI 芯片主导,长期来看, ASIC 是终极方向。从市场趋势看,全球 AI 芯片需求将保持较快增长势头,云端、边缘芯片均具备较大增长潜力,预计未来 5 年市场增速将接近 50% ;国内芯片技术虽然基础较弱,但随着 AI 应用的快速落地, AI 芯片需求快速放量为本土芯片企业技术和能力成长创造机遇。自动驾驶对算力、时延和可靠性要求严苛,目前多使用 GPU+FPGA 的解决方案,后续随着算法的稳定以及数据驱动, ASIC 有望获得市场空间。 CPU 芯片上需要很多空间来进行分支预测与优化,保存各种状态以降低任务切换时的延时。这也使得其更适合逻辑控制、串行运算与通用类型数据运算。以 GPU 与 CPU 进行比较为例,与 CPU 相比, GPU 采用了数量众多的计算单元和超长的流水线,只有非常简单的控制逻辑并省去了 Cache 。而 CPU 不仅被 Cache 占据了大量空间,而且还有复杂的控制逻辑和诸多优化电路,相比之下计算能力只是很小的一部分。 动力域控制芯片 动力域控制器是一种智能化的动力总成管理单元。借助 CAN/FLEXRAY 实现变速器管理,电池管理,监控交流发电机调节,主要用于动力总成的优化与控制,同时兼具电气智能故障诊断智能节电、总线通信等功能。 ( 1 )工作要求 动力域控制 MCU 可支持 BMS 等动力方面的主要应用,其要求如下: · 高主频,主频 600MHz~800MHz · RAM 4MB · 高功能安全等级要求,可以达到 ASIL-D 等级; · 支持多通道 CAN-FD ; · 支持 2G 以太网; · 可靠性不低于 AEC-Q100 Grade1 ; · 支持固件验证功能(国密算法); ( 2 )性能要求 高性能:产品集成了 ARM Cortex R5 双核锁步 CPU 和 4MB 片内 SRAM 以支撑汽车应用对于算力和内存日益增长的需求。 ARM Cortex-R5F CPU 主频高达 800MHz 。高安全:车规可靠性标准 AEC-Q100 达到 Grade 1 级别, ISO26262 功能安全等级达到 ASIL D 。采用的双核锁步 CPU ,可以实现高达 99% 的诊断覆盖率。内置的信息安全模块集成真随机数生成器、 AES 、 RSA 、 ECC 、 SHA 以及符合国密商密相关标准的硬件加速器。这些信息安全功能的集成可以满足安全启动、安全通信、安全固件更新升级等应用的需求。 车身域控制芯片 车身域主要负责车身各种功能的控制。随着整车发展,车身域控制器也越来越多,为了降低控制器成本,降低整车重量,集成化需要把所有的功能器件,从车头的部分、车中间的部分和车尾部的部分如后刹车灯、后位置灯、尾门锁、甚至双撑杆统一集成到一个总的控制器里面。 车身域控制器一般集成 BCM 、 PEPS 、 TPMS 、 Gateway 等功能,也可拓展增加座椅调节、后视镜控制、空调控制等功能,综合统一管理各执行器,合理有效地分配系统资源。车身域控制器的功能众多,如下图所示,但不限于在此列举的功能。 车身域控制器功能表 ( 1 )工作要求 汽车电子对 MCU 控制芯片的主要诉求为更好的稳定性、可靠性、安全性、实时性等技术特性要求,以及更高的计算性能和存储容量,更低的功耗指标要求。车身域控制器从分散化的功能部署,逐渐过渡到集成所有车身电子的基础驱动、钥匙功能、车灯、车门、车窗等的大控制器,车身域控制系统设计综合了灯光、雨刮洗涤、中控门锁、车窗等控制, PEPS 智能钥匙、电源管理等,以及网关 CAN 、可扩展 CANFD 和 FLEXRAY 、 LIN 网络、以太网等接口和模块等多方面的开发设计技术。 在总体上讲,车身域上述各种控制功能对 MCU 主控芯片的工作要求主要体现在运算处理性能、功能集成度和通信接口,以及可靠性等方面。具体要求方面由于车身域不同功能应用场景的功能差异性较大,例如电动车窗、自动座椅、电动尾门等车身应用还存在高效电机控制方面的需求,这类车身应用要求 MCU 集成有 FOC 电控算法等功能。此外,车身域不同应用场景对芯片的接口配置需求也不尽相同。因此,通常需要根据具体应用场景的功能和性能要求,并在此基础上综合衡量产品性价比、供货能力与技术服务等因素进行车身域 MCU 选型。 ( 2 )性能要求 车身域控制类 MCU 芯片主要参考指标如下: · 性能: ARM Cortex-M4F @144MHz , 180DMIPS ,内置 8KB 指令 Cache 缓存,支持 Flash 加速单元执行程序 0 等待。 · 大容量加密存储器:高达 512K Bytes eFlash ,支持加密存储、分区管理及数据保护,支持 ECC 校验, 10 万次擦写次数, 10 年数据保持; 144K Bytes SRAM ,支持硬件奇偶校验。 · 集成丰富的通信接口:支持多路 GPIO 、 USART 、 UART 、 SPI 、 QSPI 、 I2C 、 SDIO 、 USB2.0 、 CAN 2.0B 、 EMAC 、 DVP 等接口。 · 集成高性能模拟器件:支持 12bit 5Msps 高速 ADC 、轨到轨独立运算放大器、高速模拟比较器、 12bit 1Msps DAC ;支持外部输入独立参考电压源,多通道电容式触摸按键;高速 DMA 控制器。 · 支持内部 RC 或外部晶体时钟输入、高可靠性复位。 · 内置可校准的 RTC 实时时钟,支持闰年万年历,闹钟事件,周期性唤醒。 · 支持高精度定时计数器。 · 硬件级安全特性:密码算法硬件加速引擎,支持 AES 、 DES 、 TDES 、 SHA1/224/256 , SM1 、 SM3 、 SM4 、 SM7 、 MD5 算法; Flash 存储加密,多用户分区管理( MMU ), TRNG 真随机数发生器, CRC16/32 运算;支持写保护( WRP ),多种读保护( RDP )等级( L0/L1/L2 );支持安全启动,程序加密下载,安全更新。 · 支持时钟失效监测,防拆监测。 · 具有 96 位 UID 及 128 位 UCID 。 · 高可靠工作环境: 1.8V ~ 3.6V/-40 ℃~ 105 ℃。 ( 3 )产业格局 车身域电子系统不论是对国外企业还是国内企业都处于成长初期。国外企业在如 BCM 、 PEPS 、门窗、座椅控制器等单功能产品上有深厚的技术积累,同时各大外企的产品线覆盖面较广,为他们做系统集成产品奠定了基础。而国内企业新能源车车身应用上具有一定优势。以 BYD 为例,在 BYD 的新能源车上,将车身域分为左右后三个域,重新布局和定义系统集成的产品。但是在车身域控制芯片方面, MCU 的主要供货商为仍然为英飞凌、恩智浦、瑞萨、 Microchip 、 ST 等国际芯片厂商,国产芯片厂商目前市场占有率低。 ( 4 )行业壁垒 从通信角度来看,存在传统架构 - 混合架构 - 最终的 Vehicle Computer Platform 的演变过程。这里面通信速度的变化,还有带高功能安全的基础算力的价格降低是关键,未来有可能逐步实现在基础控制器的电子层面兼容不同的功能。例如车身域控制器能够集成传统 BCM 、 PEPS 、纹波防夹等功能。相对来说,车身域控制芯片的技术壁垒要低于动力域、驾舱域等,国产芯片有望率先在车身域取得较大突破并逐步实现国产替代。近年来,国产 MCU 在车身域前后装市场已经有了非常良好的发展势头。 座舱域控制芯片 电动化、智能化、网联化加快了汽车电子电气架构向域控方向发展,座舱域也在从车载影音娱乐系统到智能座舱快速发展。座舱以人机交互界面呈现出来,但不管是之前的信息娱乐系统还是现在的智能座舱,除了有一颗运算速度强大的 SOC ,还需要一颗实时性高的 MCU 来处理与整车的数据交互。软件定义汽车、 OTA 、 Autosar 在智能座舱域的逐渐普及,使得对座舱域 MCU 资源要求也越来越高。具体体现在 FLASH 、 RAM 容量需求越来越大, PIN Count 需求也在增多,更复杂的功能需要更强的程序执行能力,同时还要有更丰富的总线接口。 ( 1 )工作要求 MCU 在座舱域主要实现系统电源管理、上电时序管理、网络管理、诊断、整车数据交互、按键、背光管理、音频 DSP/FM 模块管理、系统时间管理等功能。 MCU 资源要求: · 对主频和算力有一定要求,主频不低于 100MHz 且算力不低于 200DMIPS ; · Flash 存储空间不低于 1MB ,具有代码 Flash 和数据 Flash 物理分区; · RAM 不低于 128KB ; · 高功能安全等级要求,可以达到 ASIL-B 等级; · 支持多路 ADC ; · 支持多路 CAN-FD ; · 车规等级 AEC-Q100 Grade1 ; · 支持在线升级( OTA ), Flash 支持双 Bank ; · 需要有 SHE/HSM-light 等级及以上信息加密引擎,支持安全启动; · Pin Count 不低于 100PIN ; ( 2 )性能要求 · IO 支持宽电压供电( 5.5v~2.7v ), IO 口支持过压使用; 很多信号输入根据供电电池电压波动,存在过压输入情况, IO 口支持过压使用能提升系统稳定、可靠性。 · 存储器寿命: 汽车生命周期长达 10 年以上,因此汽车 MCU 程序存储、数据存储需要有更长的寿命。程序存储和数据存储需要有单独物理分区,其中程序存储擦写次数较少,因此 10K 即可,数据存储需要频繁擦写,需要有更大的擦写次数,参考 data flash 指标 100K, 15 年 (<1K) , 10 年 (<100K) 。 · 通信总线接口; 汽车上总线通信负荷量越来越高,因此传统 CAN 已不能满足通信需求,高速 CAN-FD 总线需求越来越高,支持 CAN-FD 逐渐成为 MCU 标配。 ( 3 )产业格局 目前国产智能座舱 MCU 占比还很低,主要供应商仍然是 NXP 、 Renesas 、 Infineon 、 ST 、 Microchip 等国际 MCU 厂商。国内有多家 MCU 厂商已在布局,市场表现还有待观察。 ( 4 )行业壁垒 智能座舱车规等级、功能安全等级相对不算太高,主要是 know how 方面的积累,需要不断的产品迭代和完善。同时由于国内晶圆厂有车规 MCU 产线的不多,制程也相对落后一些,若要实现全国产供应链需要一段时间的磨合,同时可能还存在成本更高的情况,与国际厂商竞争压力更大。 国产控制芯片应用情况 车载控制类芯片主要以车载 MCU 为主,国产龙头企业如紫光国微、华大半导体、上海芯钛、兆易创新、杰发科技、芯驰科技、北京君正、深圳曦华、上海琪埔维、国民技术等,均有车规级 MCU 产品序列,对标海外巨头产品,目前以 ARM 架构为主,也有部分企业开展了 RISC-V 架构的研发。 目前国产车载控制域芯片主要应用于汽车前装市场,在车身域、信息娱乐域实现了上车应用,而在底盘、动力域等领域,仍以海外意法半导体、恩智浦、德州仪器、微芯半导体等芯片巨头为主,国内仅有少数几家企业已实现量产应用。目前国内芯片厂商芯驰在 2022 年 4 月发布高性能控制芯片 E3 系列产品基于 ARM Cortex-R5F ,功能安全等级达到 ASIL D ,温度等级支持 AEC-Q100 Grade 1 , CPU 主频高达 800MHz ,具有高达 6 个 CPU 内核,是现有量产车规 MCU 中性能最高的产品,填补国内高端高安全级别车规 MCU 市场的空白,凭借高性能和高可靠性,可以用于 BMS 、 ADAS 、 VCU 、线控底盘、仪表、 HUD 、智能后视镜等核心车控领域。采用 E3 进行产品设计的客户已经超过 100 多家,包含广汽、吉利等。 关注公众号“优特美尔商城”,获取更多电子元器件知识、电路讲解、型号资料、电子资讯,欢迎留言讨论。