汽车控制类芯片-MCU详解

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

※资料来源：公开资料、编写单位提供

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

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。

※资料来源：公开资料、编写单位提供

（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。

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

（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。

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