汽车控制类芯片-MCU详解:功能特性与应用领域全面解析
0 2023-12-01
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

※资料来源:公开资料、编写单位提供


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
※资料来源:公开资料、编写单位提供


(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Endurance>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Endurance>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、意法等芯片巨头为主,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。芯驰E3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。

国产控制器芯产品应用情况












声明: 本文转载自其它媒体或授权刊载,目的在于信息传递,并不代表本站赞同其观点和对其真实性负责,如有新闻稿件和图片作品的内容、版权以及其它问题的,请联系我们及时删除。(联系我们,邮箱:evan.li@aspencore.com )
0
评论
  • 对话周祖成教授 - 清华大学与西门子EDA的合作之旅


  • 相关技术文库
  • 单片机
  • 嵌入式
  • MCU
  • STM
下载排行榜
更多
评测报告
更多
广告