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，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。

　　汽車是MCU的一個非常重要的應用領域,，據IC Insights數據,，2019年全球MCU應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數量與質量也不斷提高,。當前,，32位MCU在汽車MCU中的占比已經達到了約60%，其中ARM公司的Cortex系列內核,，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的主要參數包括工作電壓,、運行主頻、Flash和RAM容量,、定時器模塊和通道數量,、ADC模塊和通道數量、串行通訊接口種類和數量,、輸入輸出I/O口數量,、工作溫度、封裝形式及功能安全等級等,。

　　按CPU位數劃分,，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，目前已經成為主流,，正在逐漸替代過去由8/16位MCU主導的應用和市場,。

　　如果按應用領域劃分，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,，車身域同樣要求有較多的外部通訊接口數量,，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,。

　　2. 底盤域控制芯片

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

　?。?）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和數據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；· 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）；

　?。?）性能要求

　　· 內核部分：I.內核主頻：即內核工作時的時鐘頻率,，用于表示內核數字脈沖信號震蕩的速度，主頻不能直接代表內核的運算速度,。內核的運算速度還和內核的流水線,、緩存、指令集等有關系,；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：I.代碼存儲器：用于存放代碼的存儲器；II.數據存儲器：用于存放數據的存儲器,；III.RAM：用于存放臨時數據和代碼的存儲器,。· 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,；· 工作溫度；

　　（3）產業(yè)格局

　　由于不同車廠采用的電子電氣架構會有所區(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,。這五家國際半導體廠商在底盤域MCU的市場占比超過了99%。

　?。?）行業(yè)壁壘

　　關鍵技術角度,，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,，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國內屬于空白,。除了功能安全等級，底盤域零部件的應用場景對MCU的主頻,、算力,、存儲器容量、外設性能,、外設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MCU廠商去挑戰(zhàn)和攻破,。

　　供應鏈方面,，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。在這個方面國內的車規(guī)MCU產線尚不完備,，沒有達到量產級別,。國際半導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能力。國內芯片廠商均為Fabless公司,，在晶圓制造和產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),，應用更廣。從技術趨勢看,，短期內GPU仍將是AI芯片主導,，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,，預計未來5年市場增速將接近50%,；國內芯片技術雖然基礎較弱，但隨著AI應用的快速落地,，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)定以及數據驅動,，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測與優(yōu)化，保存各種狀態(tài)以降低任務切換時的延時,。這也使得其更適合邏輯控制,、串行運算與通用類型數據運算。以GPU與CPU進行比較為例,，與CPU相比,，GPU 采用了數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 占據了大量空間,，而且還有復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,。

　　3. 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,；

　　· 可靠性不低于AEC-Q100 Grade1,；

　　· 支持固件驗證功能（國密算法）；

　?。?）性能要求

　　高性能：產品集成了ARM Cortex R5雙核鎖步CPU和4MB片內SRAM以支撐汽車應用對于算力和內存日益增長的需求,。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,。內置的信息安全模塊集成真隨機數生成器,、AES、RSA,、ECC,、SHA以及符合國密商密相關標準的硬件加速器。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用的需求。

　　4. 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節(jié),、后視鏡控制,、空調控制等功能，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,、實時性等技術特性要求，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驅動,、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，以及網關CAN,、可擴展CANFD和FLEXRAY,、LIN網絡、以太網等接口和模塊等多方面的開發(fā)設計技術,。

　　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,、電動尾門等車身應用還存在高效電機控制方面的需求，這類車身應用要求MCU集成有FOC電控算法等功能,。此外,，車身域不同應用場景對芯片的接口配置需求也不盡相同。因此,，通常需要根據具體應用場景的功能和性能要求,，并在此基礎上綜合衡量產品性價比、供貨能力與技術服務等因素進行車身域MCU選型,。

　?。?）性能要求

　　車身域控制類MCU芯片主要參考指標如下：

　　· 性能：ARM Cortex-M4F @144MHz,，180DMIPS，內置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)管理及數據保護,，支持ECC校驗，10萬次擦寫次數,，10年數據保持,；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,。

　　· 支持內部RC或外部晶體時鐘輸入,、高可靠性復位。

　　· 內置可校準的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品上有深厚的技術積累，同時各大外企的產品線覆蓋面較廣,，為他們做系統(tǒng)集成產品奠定了基礎,。而國內企業(yè)新能源車車身應用上具有一定優(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-混合架構-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算力的價格降低是關鍵,，未來有可能逐步實現(xiàn)在基礎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壁壘要低于動力域,、駕艙域等，國產芯片有望率先在車身域取得較大突破并逐步實現(xiàn)國產替代,。近年來,，國產MCU在車身域前后裝市場已經有了非常良好的發(fā)展勢頭。

　　5. 座艙域控制芯片

　　電動化,、智能化,、網聯(lián)化加快了汽車電子電氣架構向域控方向發(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來處理與整車的數據交互,。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,、網絡管理,、診斷、整車數據交互,、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和數據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,；

　?。?）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,、數據存儲需要有更長的壽命,。程序存儲和數據存儲需要有單獨物理分區(qū)，其中程序存儲擦寫次數較少,，因此Endurance>10K即可，數據存儲需要頻繁擦寫,，需要有更大的擦寫次數,，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）產業(yè)格局

　　目前國產智能座艙MCU占比還很低，主要供應商仍然是NXP、 Renesas,、Infineon,、ST、Microchip等國際MCU廠商,。國內有多家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,、功能安全等級相對不算太高，主要是know how方面的積累,，需要不斷的產品迭代和完善,。同時由于國內晶圓廠有車規(guī)MCU產線的不多，制程也相對落后一些,，若要實現(xiàn)全國產供應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,。

　　6. 國產控制芯片應用情況

　　車載控制類芯片主要以車載MCU為主,，國產龍頭企業(yè)如紫光國微、華大半導體,、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,、國民技術等，均有車規(guī)級MCU產品序列,，對標海外巨頭產品,，目前以ARM架構為主，也有部分企業(yè)開展了RISC-V架構的研發(fā),。

　　目前國產車載控制域芯片主要應用于汽車前裝市場,，在車身域、信息娛樂域實現(xiàn)了上車應用,，而在底盤,、動力域等領域，仍以海外意法半導體,、恩智浦,、德州儀器,、微芯半導體、意法等芯片巨頭為主,，國內僅有少數幾家企業(yè)已實現(xiàn)量產應用,。目前國內芯片廠商芯馳在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內核,，是現(xiàn)有量產車規(guī)MCU中性能最高的產品,，填補國內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域,。采用E3進行產品設計的客戶已經超過100多家，包含廣汽,、吉利等,。

　　以上內容整理自中國汽車芯片聯(lián)盟公眾號。

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