汽車控制芯片(MCU)解析

來源：汽車ECU開發(fā)

01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，是把CPU的主頻與規(guī)格做適當縮減，并將存儲器、定時器、A/D轉(zhuǎn)換、時鐘、I/O端口及串行通訊等多種功能模塊和接口集成在單個芯片上，實現(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。

車規(guī)級MCU示意圖

※資料來源：公開資料、編寫單位提供

汽車是MCU的一個非常重要的應(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，從行車電腦、液晶儀表，到發(fā)動機、底盤，汽車中大大小小的組件都需要MCU進行把控。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，所需要的MCU數(shù)量與質(zhì)量也不斷提高。當前，32位MCU在汽車MCU中的占比已經(jīng)達到了約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、運行主頻、Flash和RAM容量、定時器模塊和通道數(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，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，而動力域和底盤域則要求更高的工作溫度和功能安全等級。

02底盤域控制芯片

底盤域是與汽車行駛相關(guān)，由傳動系統(tǒng)、行駛系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和制動系統(tǒng)共同構(gòu)成，有五大子系統(tǒng)構(gòu)成，分別為轉(zhuǎn)向、制動、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)向和線控制動是面向自動駕駛執(zhí)行端的核心零部件。

（1）工作要求

底盤域ECU采用高性能、可升級的功能安全性平臺，并支持傳感器群集及多軸慣性傳感器。基于這種應(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；

·?高功能安全等級要求，可以達到ASIL-D等級；

·?支持12位精度ADC；

·?支持32位高精度，高同步性定時器；

·?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（OTA）；

·?支持固件驗證功能（國密算法）；

（2）性能要求

·?內(nèi)核部分：

I.內(nèi)核主頻：即內(nèi)核工作時的時鐘頻率，用于表示內(nèi)核數(shù)字脈沖信號震蕩的速度，主頻不能直接代表內(nèi)核的運算速度。內(nèi)核的運算速度還和內(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來進行評估。DMIPS是指測量MCU綜合的基準程序的測試程序時表現(xiàn)出來的相對性能高低的一個單位。

·?存儲器參數(shù)：

I.代碼存儲器：用于存放代碼的存儲器；

II.數(shù)據(jù)存儲器：用于存放數(shù)據(jù)的存儲器；

III.RAM：用于存放臨時數(shù)據(jù)和代碼的存儲器。

·?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)會有所區(qū)別，對底盤域的零部件需求會有所不同。同一車廠的不同車型由于高低配置不同，對底盤域的ECU選擇也會不一樣。這些區(qū)分都會造成對底盤域的MCU需求量會有所不同。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，整個市場總量就達到了約5000萬顆。整個底盤域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%。

（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)，因此對底盤域MCU的功能安全等級要求非常高，基本上都是ASIL-D等級的要求。這個功能安全等級的MCU國內(nèi)屬于空白。除了功能安全等級，底盤域零部件的應(yīng)用場景對MCU的主頻、算力、存儲器容量、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。在這個方面國內(nèi)的車規(guī)MCU產(chǎn)線尚不完備，沒有達到量產(chǎn)級別。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)和一定的風險。

在自動駕駛等核心計算場景中，傳統(tǒng)通用CPU由于計算效率低，難以適應(yīng)AI計算要求，GPU、FPGA以及ASIC等AI芯片憑借著自身特點，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)造機遇。自動駕駛對算力、時延和可靠性要求嚴苛，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，ASIC有望獲得市場空間。

CPU芯片上需要很多空間來進行分支預(yù)測與優(yōu)化，保存各種狀態(tài)以降低任務(wù)切換時的延時。這也使得其更適合邏輯控制、串行運算與通用類型數(shù)據(jù)運算。以GPU與CPU進行比較為例，與CPU相比，GPU 采用了數(shù)量眾多的計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，相比之下計算能力只是很小的一部分。

03動力域控制芯片

動力域控制器是一種智能化的動力總成管理單元。借助CAN/FLEXRAY實現(xiàn)變速器管理，電池管理，監(jiān)控交流發(fā)電機調(diào)節(jié)，主要用于動力總成的優(yōu)化與控制，同時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

動力域控制MCU可支持BMS等動力方面的主要應(yīng)用，其要求如下：

·?高主頻，主頻600MHz~800MHz

·?RAM?4MB

·?高功能安全等級要求，可以達到ASIL-D等級；

·?支持多通道CAN-FD；

·?支持2G以太網(wǎng)；

·?可靠性不低于AEC-Q100 Grade1；

·?支持固件驗證功能（國密算法）；

（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)用對于算力和內(nèi)存日益增長的需求。ARM Cortex-R5F CPU主頻高達800MHz。

高安全：車規(guī)可靠性標準AEC-Q100達到Grade 1級別，ISO26262功能安全等級達到ASIL D。采用的雙核鎖步CPU，可以實現(xiàn)高達99%的診斷覆蓋率。內(nèi)置的信息安全模塊集成真隨機數(shù)生成器、AES、RSA、ECC、SHA以及符合國密商密相關(guān)標準的硬件加速器。這些信息安全功能的集成可以滿足安全啟動、安全通信、安全固件更新升級等應(yīng)用的需求。

04車身域控制芯片

車身域主要負責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

※資料來源：公開資料、編寫單位提供

（1）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、實時性等技術(shù)特性要求，以及更高的計算性能和存儲容量，更低的功耗指標要求。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、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，例如電動車窗、自動座椅、電動尾門等車身應(yīng)用還存在高效電機控制方面的需求，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)品性價比、供貨能力與技術(shù)服務(wù)等因素進行車身域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。

·?大容量加密存儲器：高達512K Bytes eFlash，支持加密存儲、分區(qū)管理及數(shù)據(jù)保護，支持ECC校驗，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。

·?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、軌到軌獨立運算放大器、高速模擬比較器、12bit 1Msps DAC；支持外部輸入獨立參考電壓源，多通道電容式觸摸按鍵；高速DMA控制器。

·?支持內(nèi)部RC或外部晶體時鐘輸入、高可靠性復(fù)位。

·?內(nèi)置可校準的RTC實時時鐘，支持閏年萬年歷，鬧鐘事件，周期性喚醒。

·?支持高精度定時計數(shù)器。

·?硬件級安全特性：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存儲加密，多用戶分區(qū)管理（MMU），TRNG真隨機數(shù)發(fā)生器，CRC16/32運算；支持寫保護（WRP），多種讀保護（RDP）等級（L0/L1/L2）；支持安全啟動，程序加密下載，安全更新。

·?支持時鐘失效監(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，***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)算力的價格降低是關(guān)鍵，未來有可能逐步實現(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)壁壘要低于動力域、駕艙域等，***有望率先在車身域取得較大突破并逐步實現(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。

05座艙域控制芯片

電動化、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，除了有一顆運算速度強大的SOC，還需要一顆實時性高的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)雜的功能需要更強的程序執(zhí)行能力，同時還要有更豐富的總線接口。

（1）工作要求

MCU在座艙域主要實現(xiàn)系統(tǒng)電源管理、上電時序管理、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；

·?高功能安全等級要求，可以達到ASIL-B等級；

·?支持多路ADC；

·?支持多路CAN-FD；

·?車規(guī)等級AEC-Q100 Grade1；

·?支持在線升級（OTA），F(xiàn)lash支持雙Bank；

·?需要有SHE/HSM-light等級及以上信息加密引擎，支持安全啟動；

· Pin Count不低于100PIN；

（2）性能要求

· IO支持寬電壓供電（5.5v~2.7v），IO口支持過壓使用；

很多信號輸入根據(jù)供電電池電壓波動，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。

·?存儲器壽命：

汽車生命周期長達10年以上，因此汽車MCU程序存儲、數(shù)據(jù)存儲需要有更長的壽命。程序存儲和數(shù)據(jù)存儲需要有單獨物理分區(qū)，其中程序存儲擦寫次數(shù)較少，因此Endurance>10K即可，數(shù)據(jù)存儲需要頻繁擦寫，需要有更大的擦寫次數(shù)，參考data flash指標Endurance>100K, 15年(<1K),10年(<100K)。

·?通信總線接口；

汽車上總線通信負荷量越來越高，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。

（4）行業(yè)壁壘

智能座艙車規(guī)等級、功能安全等級相對不算太高，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，若要實現(xiàn)全國產(chǎn)供應(yīng)鏈需要一段時間的磨合，同時可能還存在成本更高的情況，與國際廠商競爭壓力更大。

06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MCU產(chǎn)品序列，對標海外巨頭產(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，功能安全等級達到ASIL D，溫度等級支持AEC-Q100 Grade 1，CPU主頻高達800MHz，具有高達6個CPU內(nèi)核，是現(xiàn)有量產(chǎn)車規(guī)MCU中性能最高的產(chǎn)品，填補國內(nèi)高端高安全級別車規(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進行產(chǎn)品設(shè)計的客戶已經(jīng)超過100多家，包含廣汽、吉利等。

國產(chǎn)控制器芯產(chǎn)品應(yīng)用情況

※資料來源：公開資料、編寫單位提供

　　審核編輯：湯梓紅