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研发客服车规级MCU示意图
※资料来源：公开资料、编写单位提供
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）；
· 内核部分：
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；
· 通信总线：包括汽车专用总线和常规通信总线；
· 高精度外设；
（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%。
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。
· 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；
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
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。
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。
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
· 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；
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
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，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
文章来源于:电子工程世界 原文链接
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