作者: 付斌
汽车电子领域什么芯片最难做?那一定是动力底盘域控芯片,它被誉为汽车电子皇冠上的明珠,它象征着汽车电子产品高安全、高可靠、高性能的完美结合。
8月21日,紫光同芯发布了业界期待的高性能动力底盘域控MCU——THA6412,这款MCU背后有什么技术值得关注?本文详细解析其技术。
汽车MCU难在哪里
说起汽车MCU芯片,由于起步晚、研发周期长、回报慢、难度高、生态缺乏,目前国内中低端玩家众多。所以,为什么会出现这样的现状,高端汽车MCU难在哪里?
高端MCU开发难度主要体现在高可靠性实现上。以车规级的AEC-Q100标准为例,高可靠性不仅依赖于测试,更需要在设计阶段就进行充分保障,并在整车应用中经受时间的考验。
历史经验表明,设计端全面考虑对于提升可靠性至关重要。例如,在工艺选型中,需要选择高标准工艺并提供更加精确的模型。高端MCU由于功耗较大,设计中通常采用多物理场的混合仿真,通过更全面的设计仿真验证手段,虽然不能完全确保可靠性,但可以大幅提升设计完备性。与此同时,完善的生产管理控制也至关重要,确保芯片达到AEC-Q100认证标准。
在功能安全方面,高端MCU必须满足ASIL-D标准,这涉及车规级严格的开发流程。功能安全开发并非在后期补充,而是在芯片开发的过程中同步进行,有明确的定量要求。尤其是车规级控制用MCU,为了实现ASIL-D标准,需要数百条安全机制来确保功能安全。
代号背后的含义
关于THA6412的一切,都藏在其产品型号之中。
所谓THA6412,TH代表着清华,A6代表着汽车的高端系列,412是它的名字,代表4个CPU内核和12兆超大内存。
它基于Arm Cortex-R52+内核,采用28nm eFlash制程,包括3亿个晶体管,算力达到3.4KDMIPS,通过ASIL—D产品认证,性能媲美市场先进产品。具体来看,整体配置如下:
内核方面,内部集成4个Arm Cortex-R52+(400MHz)内核,其中有两组内核带锁步功能,可以满足ASIL—D最高的安全等级;
存储方面,内嵌入大容量12兆字节eFlash存储,可以用来存储大量的用户代码程序,配备1.4兆的高速SRAM,方便用户动态数据的存取;
外设方面,内部集成复杂的定时器模块GTM、旋变解码硬件单元RDC模块、高精度数模转换DSADC模块和信息安全模块;
接口方面,支持CAN、CAN FD、LIN、SENT、以太网,资源丰富,可以满足汽车应用各种复杂的需求;
引脚方面,使用车规级球栅阵列BGA封装形式,可以满足严苛的AECQ-100要求;提供516脚和292脚两种不同封装形式,面向不同的应用场景可以供用户做灵活的选型;可以做到和国际主流竞品Pin to Pin兼容,实现无缝替代,大幅降低客户的开发难度;
集成自研选编解码RDC模块,这是国内首家全自研特色IP,已获得多项国家专利,拥有完整的自主知识产权。RDC模块是专为电机控制类应用设计的模块,可以支持旋变传感器和电涡流传感器的信号结算,高效生成电机的转速和角度信号,大幅降低CPU的工作负载,节省专用的旋变处理芯片,使得新能源车的电机控制方案更低成本、更高性能、更安全;
集成博世特色的IP GTM 4.1,它是博世专门为发动机、底盘、电机以及数字电容类设计的特色IP,是高端域控MCU标配,同时紫光同芯在GTM内集成了独立的MCS加速单元,可以在200兆主频下工作,用协处理器硬件加速降低主CPU负载。还有多种定时器的组合来处理复杂的时序信号,包括TIM、TOM、ATOM、TIO等,非常适合用在发动机的喷油、点火等信号处理,以及主驱电机的控制方面。此外,GTM 4.1增加了超高精度的PWM信号输出功能,分辨率可以高达皮秒级,非常适合在车载电源的OBC和DCDC的车载电源里应用;
集成高性能HSM性能模块,可以支持多项信息安全功能,包括系统安全启动、可配置的密钥管理、授权的调试以及存储的保护,支持各种国际以及国密的加密算法,可以达到汽车信息安全领域的最高的等级,为整车系统以及车路云一体提供最高等级的安全保障;
集成400多条功能安全机制,保证满足ASIL-D的定量指标要求,同时在IC和IP层级都做了大量的定量和定性的安全分析,通过需求管理工具来保证在芯片设计、验证和需求之间的可追溯性。
为何强调R52+内核
值得关注的是,本次新产品中采用的Arm Cortex-R52+内核是非常经典的内核,而且最近几年的趋势是诸如R52+这种Armv8-R解决方案在汽车行业用量越来越大。
随着汽车电气电子(E/E)架构向计算资源的集中方向发展,随着多个实时功能被合并为区域控制器,对处理器性能的需求正在提高,操作系统和软件的复杂性也会增加,同时对于实时性的要求也高。
相比来说,Armv8-R体系结构增加了支持,使其能够在单个处理器中更好地控制软件,提供代码的隔离,并支持可重复和可理解的行为,包括在实时处理器中的虚拟化。此外,R52+处理器是高度可配置的,可以被定义以满足实现者的应用程序要求。
而R52+则拥有三大基础技术:一是软件隔离,可以让软件功能互不干扰。对于安全相关的任务,这也意味着需要认证的代码更少,从而节省了时间、成本和工作量;二是支持多操作系统,借助虚拟化功能,开发人员能够在单个CPU内,使用多个操作系统整合应用,简化功能的添加,无需增加电子控制单元的数量;三是实时性能,R52+的高性能多核集群可为确定性系统提供实时响应能力,且在所有Cortex-R产品中产生的延迟最低。
助力汽车智能化电气化发展
紫光同芯现场介绍THA6412的几个实际应用。
首先,THA6412是功能安全双电控的最佳选择。在新能源动力域控领域,多合一电驱系统是发展趋势,四组Cortex-R52+ CPU可以支持任务的有效合理分配,满足多种控制功能集成的需求。集成专为电机控制设计的特色GTM、DSADC、RDC模块,满足双电机旋变信号的硬解码需求。此外,开发方面,紫光同芯拥有多合一软件平台的集成式开发。
其次,THA6412是高性能动力域控的完美解决方案。在传统动力域控领域,发动机、变速箱以及混动系统融合是业界趋势,THA6412通过多核CPU的强大算力,可以支持发动机、变速箱、HCU、PDCU融合方案的开发,另外超大的程序存储以及SRAM空间,最高满足达到国6发动机电控数据开发标定的挑战,同时还有专为发动机控制应用设计的,GTM、ADC、MCS、定时器等丰富的外设资源。
接着,THA6412为智能新能源车的底盘运动控制提供了可靠的保障。底盘域控领域,最新趋势是线控转向、主动悬架,整车运动控制,对主控芯片的算力、实时性、安全性提出了非常高的要求。THA6412则提供高安全的ASIL-D锁步内核,同时使用R52+内核的硬实时中断处理模块,可以同时管理960个中断事件,加上强大的GTM、ADC等外设资源保障。
最后,THA6412可用于面对跨域融合ZCU的应用。对于下一代整车电子电气架构,目前的E/E架构向中央平台和区域控制器的方向演进,车身、网关、整车配电、底盘等多种功能正在融合。THA6412通过集成高速千兆以太网通信以及LIN、SPI、PSI5等丰富接口资源,提供了丰富的通讯接口,同时它集成了大量的eFlash空间,可以支持AB面无感程序的升级,给用户带来全新的使用体验。
第二代MCU全面覆盖动力应用
THA6412属于紫光同芯汽车MCU第二代产品。回顾2021年推出的第一代THA6产品,它成功实现国内首个百万公里路测,已在北汽红旗车型上累计完成接近300公里的水平,并在电驱动总程系统、柴油发动机上实现了量产,汽油发动机上正在开发中,明年也会实现乘用车的量产装车。
第二代THA6整体定位于高性能、高实时性,基于Arm-Cortex R52+内核,采用28nm eFlash工艺,充分发挥了R52内核的性能优势。此外,紫光同芯将安全芯片技术整合到车规MCU中,并在芯片中实现了Flash与CPU的高速连接。
这一平台架构设计从一开始便考虑了未来系列化扩展的需求,可支持从单核到六核的产品,未来还将开发更高端应用。此外,客户如果对定制有需求,内置的解码模块可以支持软解码和硬解码。目前第二代THA6已通过功能安全流程认证和产品认证,并已量产,交付客户在进行导入和开发。
在硬件安全方面,紫光同芯结合其在全球领先的安全芯片技术,提供完整的国际和国内算法支持,并提供相应的软件安全解决方案。
第二代MCU产品系列布局可以匹配到不同的应用,拥有不同的配置。其产品线针对不同的混动和纯电需求进行了细分,并在电驱应用中重点关注高可靠性和高安全性。
此外,全系列产品在封装和软件兼容性方面也进行了提升,并根据不同驱动数量,提供了适配单电驱和双电驱的方案。
面向新能源车动力系统的挑战,包括效能、功能安全、信息安全、成本、高性能,紫光同芯采取了一系列措施,希望能够给客户提供性价比更优的产品。
随着电子电气架构的不断升级,THA家族还会有更多新产品面市。
紫光同芯凭借20多年在安全芯片领域的积累,逐步在汽车电子领域取得突破。未来,公司将布局九大类汽车芯片产品,覆盖全域解决方案,提供高性价比产品和优质服务,期待与产业链上下游共同构建生态,实现共赢发展。
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