智能汽车控制芯片(MCU）超强解读

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本文从工作要求，性能要求，产业格局，行业壁垒四个维度，分别介绍车身、底盘、动力、座舱四个域的MCU芯片。并整理了国产MCU芯片的应用现状，供从业者参考。 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 转载自中国汽车芯片联盟，文中观点仅供分享交流，不代表本公众号立场，如涉及版权等问题，请您告知，我们将及时处理。 -- END --

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