1.?控制類(lèi)芯片介紹

自動(dòng)駕駛芯片是指可實(shí)現(xiàn)高級(jí)別自動(dòng)駕駛的 SoC 芯片。CPU作為通用處理器，適用于處理數(shù)量適中的復(fù)雜運(yùn)算。

控制類(lèi)芯片主要就是指MCU（Microcontroller Unit），即微控制器，又叫單片機(jī)，是把CPU的主頻與規(guī)格做適當(dāng)縮減，并將存儲(chǔ)器、定時(shí)器、A/D轉(zhuǎn)換、時(shí)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(gè)芯片上，實(shí)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(diǎn)。

車(chē)規(guī)級(jí)MCU示意圖

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汽車(chē)是MCU的一個(gè)非常重要的應(yīng)用領(lǐng)域，據(jù)IC Insights數(shù)據(jù)，2019年全球MCU應(yīng)用于汽車(chē)電子的占比約為33%。高端車(chē)型中每輛車(chē)用到的MCU數(shù)量接近100個(gè)，從行車(chē)電腦、液晶儀表，到發(fā)動(dòng)機(jī)、底盤(pán)，汽車(chē)中大大小小的組件都需要MCU進(jìn)行把控。早期，汽車(chē)中應(yīng)用的主要是8位和16位MCU，但隨著汽車(chē)電子化和智能化不斷加強(qiáng)，所需要的MCU數(shù)量與質(zhì)量也不斷提高。當(dāng)前，32位MCU在汽車(chē)MCU中的占比已經(jīng)達(dá)到了約60%，其中ARM公司的Cortex系列內(nèi)核，因其成本低廉，功耗控制優(yōu)異，是各汽車(chē)MCU廠商的主流選擇。

汽車(chē)MCU的主要參數(shù)包括工作電壓、運(yùn)行主頻、Flash和RAM容量、定時(shí)器模塊和通道數(shù)量、ADC模塊和通道數(shù)量、串行通訊接口種類(lèi)和數(shù)量、輸入輸出I/O口數(shù)量、工作溫度、封裝形式及功能安全等級(jí)等。

按CPU位數(shù)劃分，汽車(chē)MCU主要可分為8位、16位和32位。隨著工藝升級(jí)，32位MCU成本不斷下降，目前已經(jīng)成為主流，正在逐漸替代過(guò)去由8/16位MCU主導(dǎo)的應(yīng)用和市場(chǎng)。

如果按應(yīng)用領(lǐng)域劃分，汽車(chē)MCU又可以分為車(chē)身域、動(dòng)力域、底盤(pán)域、座艙域和智駕域。其中，對(duì)于座艙域和智駕域來(lái)說(shuō)，MCU需要有較高的運(yùn)算能力，并具有高速的外部通訊接口，比如CAN FD和以太網(wǎng)，車(chē)身域同樣要求有較多的外部通訊接口數(shù)量，但對(duì)MCU的算力要求相對(duì)較低，而動(dòng)力域和底盤(pán)域則要求更高的工作溫度和功能安全等級(jí)。

2. 底盤(pán)域控制芯片

底盤(pán)域是與汽車(chē)行駛相關(guān)，由傳動(dòng)系統(tǒng)、行駛系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和制動(dòng)系統(tǒng)共同構(gòu)成，有五大子系統(tǒng)構(gòu)成，分別為轉(zhuǎn)向、制動(dòng)、換擋、油門(mén)、懸掛系統(tǒng)，隨著汽車(chē)智能化發(fā)展，智能汽車(chē)的感知識(shí)別、決策規(guī)劃、控制執(zhí)行為底盤(pán)域核心系統(tǒng)，線控轉(zhuǎn)向和線控制動(dòng)是面向自動(dòng)駕駛執(zhí)行端的核心零部件。

（1）工作要求

底盤(pán)域ECU采用高性能、可升級(jí)的功能安全性平臺(tái)，并支持傳感器群集及多軸慣性傳感器。基于這種應(yīng)用場(chǎng)景，對(duì)底盤(pán)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(chǔ)空間不低于2MB，具有代碼Flash和數(shù)據(jù)Flash物理分區(qū)；

·?RAM不低于512KB；

·?高功能安全等級(jí)要求，可以達(dá)到ASIL-D等級(jí)；

·?支持12位精度ADC；

·?支持32位高精度，高同步性定時(shí)器；

·?支持多通道CAN-FD；

·?支持不低于100M以太網(wǎng)；

·?可靠性不低于AEC-Q100 Grade1；

·?支持在線升級(jí)（OTA）；

·?支持固件驗(yàn)證功能（國(guó)密算法）；

（2）性能要求

·?內(nèi)核部分：

I.內(nèi)核主頻：即內(nèi)核工作時(shí)的時(shí)鐘頻率，用于表示內(nèi)核數(shù)字脈沖信號(hào)震蕩的速度，主頻不能直接代表內(nèi)核的運(yùn)算速度。內(nèi)核的運(yùn)算速度還和內(nèi)核的流水線、緩存、指令集等有關(guān)系；

II.算力：通常可以使用DMIPS來(lái)進(jìn)行評(píng)估。DMIPS是指測(cè)量MCU綜合的基準(zhǔn)程序的測(cè)試程序時(shí)表現(xiàn)出來(lái)的相對(duì)性能高低的一個(gè)單位。

·?存儲(chǔ)器參數(shù)：

I.代碼存儲(chǔ)器：用于存放代碼的存儲(chǔ)器；

II.數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器：用于存放數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器；

III.RAM：用于存放臨時(shí)數(shù)據(jù)和代碼的存儲(chǔ)器。

·?通信總線：包括汽車(chē)專(zhuān)用總線和常規(guī)通信總線；

·?高精度外設(shè)；

·?工作溫度；

（3）產(chǎn)業(yè)格局

由于不同車(chē)廠采用的電子電氣架構(gòu)會(huì)有所區(qū)別，對(duì)底盤(pán)域的零部件需求會(huì)有所不同。同一車(chē)廠的不同車(chē)型由于高低配置不同，對(duì)底盤(pán)域的ECU選擇也會(huì)不一樣。這些區(qū)分都會(huì)造成對(duì)底盤(pán)域的MCU需求量會(huì)有所不同。例如本田雅閣的底盤(pán)域MCU芯片使用了3顆，奧迪Q7采用了大約11顆底盤(pán)域的MCU芯片。2021年中國(guó)品牌乘用車(chē)產(chǎn)量約為1000萬(wàn)輛，其中單車(chē)底盤(pán)域MCU平均需求量為5顆，整個(gè)市場(chǎng)總量就達(dá)到了約5000萬(wàn)顆。整個(gè)底盤(pán)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(guó)際半導(dǎo)體廠商在底盤(pán)域MCU的市場(chǎng)占比超過(guò)了99%。

（4）行業(yè)壁壘

關(guān)鍵技術(shù)角度，EPS、EPB、ESC等底盤(pán)域的零部件均與駕駛員的生命安全息息相關(guān)，因此對(duì)底盤(pán)域MCU的功能安全等級(jí)要求非常高，基本上都是ASIL-D等級(jí)的要求。這個(gè)功能安全等級(jí)的MCU國(guó)內(nèi)屬于空白。除了功能安全等級(jí)，底盤(pán)域零部件的應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)MCU的主頻、算力、存儲(chǔ)器容量、外設(shè)性能、外設(shè)精度等方面均有非常高的要求。底盤(pán)域MCU形成了非常高的行業(yè)壁壘，需要國(guó)產(chǎn)MCU廠商去挑戰(zhàn)和攻破。

供應(yīng)鏈方面，由于底盤(pán)域零部件需要控制芯片具有高主頻、高算力的要求，這對(duì)晶圓生產(chǎn)的工藝和制程方面提出了比較高的要求。目前看來(lái)至少需要55nm以上的工藝才能滿(mǎn)足200MHz以上的MCU主頻要求。在這個(gè)方面國(guó)內(nèi)的車(chē)規(guī)MCU產(chǎn)線尚不完備，沒(méi)有達(dá)到量產(chǎn)級(jí)別。國(guó)際半導(dǎo)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(tái)積電、聯(lián)華電子和格芯具備相應(yīng)能力。國(guó)內(nèi)芯片廠商均為Fabless公司，在晶圓制造和產(chǎn)能保證上面具有挑戰(zhàn)和一定的風(fēng)險(xiǎn)。

在自動(dòng)駕駛等核心計(jì)算場(chǎng)景中，傳統(tǒng)通用CPU由于計(jì)算效率低，難以適應(yīng)AI計(jì)算要求，GPU、FPGA以及ASIC等AI芯片憑借著自身特點(diǎn)，在邊緣端和云端有著優(yōu)異表現(xiàn)，應(yīng)用更廣。從技術(shù)趨勢(shì)看，短期內(nèi)GPU仍將是AI芯片主導(dǎo)，長(zhǎng)期來(lái)看，ASIC是終極方向。從市場(chǎng)趨勢(shì)看，全球AI芯片需求將保持較快增長(zhǎng)勢(shì)頭，云端、邊緣芯片均具備較大增長(zhǎng)潛力，預(yù)計(jì)未來(lái)5年市場(chǎng)增速將接近50%；國(guó)內(nèi)芯片技術(shù)雖然基礎(chǔ)較弱，但隨著AI應(yīng)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(shù)和能力成長(zhǎng)創(chuàng)造機(jī)遇。自動(dòng)駕駛對(duì)算力、時(shí)延和可靠性要求嚴(yán)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(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，ASIC有望獲得市場(chǎng)空間。

CPU芯片上需要很多空間來(lái)進(jìn)行分支預(yù)測(cè)與優(yōu)化，保存各種狀態(tài)以降低任務(wù)切換時(shí)的延時(shí)。這也使得其更適合邏輯控制、串行運(yùn)算與通用類(lèi)型數(shù)據(jù)運(yùn)算。以GPU與CPU進(jìn)行比較為例，與CPU相比，GPU 采用了數(shù)量眾多的計(jì)算單元和超長(zhǎng)的流水線，只有非常簡(jiǎn)單的控制邏輯并省去了 Cache。而 CPU 不僅被 Cache 占據(jù)了大量空間，而且還有復(fù)雜的控制邏輯和諸多優(yōu)化電路，相比之下計(jì)算能力只是很小的一部分。

3. 動(dòng)力域控制芯片

動(dòng)力域控制器是一種智能化的動(dòng)力總成管理單元。借助CAN/FLEXRAY實(shí)現(xiàn)變速器管理，電池管理，監(jiān)控交流發(fā)電機(jī)調(diào)節(jié)，主要用于動(dòng)力總成的優(yōu)化與控制，同時(shí)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(dòng)力域控制MCU可支持BMS等動(dòng)力方面的主要應(yīng)用，其要求如下：

·?高主頻，主頻600MHz~800MHz

·?RAM?4MB

·?高功能安全等級(jí)要求，可以達(dá)到ASIL-D等級(jí)；

·?支持多通道CAN-FD；

·?支持2G以太網(wǎng)；

·?可靠性不低于AEC-Q100 Grade1；

·?支持固件驗(yàn)證功能（國(guó)密算法）；

（2）性能要求

高性能：產(chǎn)品集成了ARM Cortex R5雙核鎖步CPU和4MB片內(nèi)SRAM以支撐汽車(chē)應(yīng)用對(duì)于算力和內(nèi)存日益增長(zhǎng)的需求。ARM Cortex-R5F CPU主頻高達(dá)800MHz。

高安全：車(chē)規(guī)可靠性標(biāo)準(zhǔn)AEC-Q100達(dá)到Grade 1級(jí)別，ISO26262功能安全等級(jí)達(dá)到ASIL D。采用的雙核鎖步CPU，可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)99%的診斷覆蓋率。內(nèi)置的信息安全模塊集成真隨機(jī)數(shù)生成器、AES、RSA、ECC、SHA以及符合國(guó)密商密相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的硬件加速器。這些信息安全功能的集成可以滿(mǎn)足安全啟動(dòng)、安全通信、安全固件更新升級(jí)等應(yīng)用的需求。

4. 車(chē)身域控制芯片

車(chē)身域主要負(fù)責(zé)車(chē)身各種功能的控制。隨著整車(chē)發(fā)展，車(chē)身域控制器也越來(lái)越多，為了降低控制器成本，降低整車(chē)重量，集成化需要把所有的功能器件，從車(chē)頭的部分、車(chē)中間的部分和車(chē)尾部的部分如后剎車(chē)燈、后位置燈、尾門(mén)鎖、甚至雙撐桿統(tǒng)一集成到一個(gè)總的控制器里面。

車(chē)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(diào)節(jié)、后視鏡控制、空調(diào)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(chē)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。

車(chē)身域控制器功能表

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（1）工作要求

汽車(chē)電子對(duì)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(shí)時(shí)性等技術(shù)特性要求，以及更高的計(jì)算性能和存儲(chǔ)容量，更低的功耗指標(biāo)要求。車(chē)身域控制器從分散化的功能部署，逐漸過(guò)渡到集成所有車(chē)身電子的基礎(chǔ)驅(qū)動(dòng)、鑰匙功能、車(chē)燈、車(chē)門(mén)、車(chē)窗等的大控制器，車(chē)身域控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)綜合了燈光、雨刮洗滌、中控門(mén)鎖、車(chē)窗等控制，PEPS智能鑰匙、電源管理等，以及網(wǎng)關(guān)CAN、可擴(kuò)展CANFD和FLEXRAY、LIN網(wǎng)絡(luò)、以太網(wǎng)等接口和模塊等多方面的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)技術(shù)。

在總體上講，車(chē)身域上述各種控制功能對(duì)MCU主控芯片的工作要求主要體現(xiàn)在運(yùn)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(chē)身域不同功能應(yīng)用場(chǎng)景的功能差異性較大，例如電動(dòng)車(chē)窗、自動(dòng)座椅、電動(dòng)尾門(mén)等車(chē)身應(yīng)用還存在高效電機(jī)控制方面的需求，這類(lèi)車(chē)身應(yīng)用要求MCU集成有FOC電控算法等功能。此外，車(chē)身域不同應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)芯片的接口配置需求也不盡相同。因此，通常需要根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)景的功能和性能要求，并在此基礎(chǔ)上綜合衡量產(chǎn)品性?xún)r(jià)比、供貨能力與技術(shù)服務(wù)等因素進(jìn)行車(chē)身域MCU選型。

（2）性能要求

車(chē)身域控制類(lèi)MCU芯片主要參考指標(biāo)如下：

·?性能：ARM Cortex-M4F @144MHz，180DMIPS，內(nèi)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(chǔ)器：高達(dá)512K Bytes eFlash，支持加密存儲(chǔ)、分區(qū)管理及數(shù)據(jù)保護(hù)，支持ECC校驗(yàn)，10萬(wàn)次擦寫(xiě)次數(shù)，10年數(shù)據(jù)保持；144K Bytes SRAM，支持硬件奇偶校驗(yàn)。

·?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(dú)立運(yùn)算放大器、高速模擬比較器、12bit 1Msps DAC；支持外部輸入獨(dú)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(nèi)部RC或外部晶體時(shí)鐘輸入、高可靠性復(fù)位。

·?內(nèi)置可校準(zhǔn)的RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘，支持閏年萬(wàn)年歷，鬧鐘事件，周期性喚醒。

·?支持高精度定時(shí)計(jì)數(shù)器。

·?硬件級(jí)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(chǔ)加密，多用戶(hù)分區(qū)管理（MMU），TRNG真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，CRC16/32運(yùn)算；支持寫(xiě)保護(hù)（WRP），多種讀保護(hù)（RDP）等級(jí)（L0/L1/L2）；支持安全啟動(dòng)，程序加密下載，安全更新。

·?支持時(shí)鐘失效監(jiān)測(cè)，防拆監(jiān)測(cè)。

·?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(chǎn)業(yè)格局

車(chē)身域電子系統(tǒng)不論是對(duì)國(guó)外企業(yè)還是國(guó)內(nèi)企業(yè)都處于成長(zhǎng)初期。國(guó)外企業(yè)在如BCM、PEPS、門(mén)窗、座椅控制器等單功能產(chǎn)品上有深厚的技術(shù)積累，同時(shí)各大外企的產(chǎn)品線覆蓋面較廣，為他們做系統(tǒng)集成產(chǎn)品奠定了基礎(chǔ)。而國(guó)內(nèi)企業(yè)新能源車(chē)車(chē)身應(yīng)用上具有一定優(yōu)勢(shì)。以BYD為例，在BYD的新能源車(chē)上，將車(chē)身域分為左右后三個(gè)域，重新布局和定義系統(tǒng)集成的產(chǎn)品。但是在車(chē)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(guó)際芯片廠商，***廠商目前市場(chǎng)占有率低。

（4）行業(yè)壁壘

從通信角度來(lái)看，存在傳統(tǒng)架構(gòu)-混合架構(gòu)-最終的Vehicle Computer Platform的演變過(guò)程。這里面通信速度的變化，還有帶高功能安全的基礎(chǔ)算力的價(jià)格降低是關(guān)鍵，未來(lái)有可能逐步實(shí)現(xiàn)在基礎(chǔ)控制器的電子層面兼容不同的功能。例如車(chē)身域控制器能夠集成傳統(tǒng)BCM、PEPS、紋波防夾等功能。相對(duì)來(lái)說(shuō)，車(chē)身域控制芯片的技術(shù)壁壘要低于動(dòng)力域、駕艙域等，***有望率先在車(chē)身域取得較大突破并逐步實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)替代。近年來(lái)，國(guó)產(chǎn)MCU在車(chē)身域前后裝市場(chǎng)已經(jīng)有了非常良好的發(fā)展勢(shì)頭。

5. 座艙域控制芯片

電動(dòng)化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化加快了汽車(chē)電子電氣架構(gòu)向域控方向發(fā)展，座艙域也在從車(chē)載影音娛樂(lè)系統(tǒng)到智能座艙快速發(fā)展。座艙以人機(jī)交互界面呈現(xiàn)出來(lái)，但不管是之前的信息娛樂(lè)系統(tǒng)還是現(xiàn)在的智能座艙，除了有一顆運(yùn)算速度強(qiáng)大的SOC，還需要一顆實(shí)時(shí)性高的MCU來(lái)處理與整車(chē)的數(shù)據(jù)交互。軟件定義汽車(chē)、OTA、Autosar在智能座艙域的逐漸普及，使得對(duì)座艙域MCU資源要求也越來(lái)越高。具體體現(xiàn)在FLASH、RAM容量需求越來(lái)越大，PIN Count需求也在增多，更復(fù)雜的功能需要更強(qiáng)的程序執(zhí)行能力，同時(shí)還要有更豐富的總線接口。

（1）工作要求

MCU在座艙域主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)電源管理、上電時(shí)序管理、網(wǎng)絡(luò)管理、診斷、整車(chē)數(shù)據(jù)交互、按鍵、背光管理、音頻DSP/FM模塊管理、系統(tǒng)時(shí)間管理等功能。

MCU資源要求：

·?對(duì)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(chǔ)空間不低于1MB，具有代碼Flash和數(shù)據(jù)Flash物理分區(qū)；

·?RAM不低于128KB；

·?高功能安全等級(jí)要求，可以達(dá)到ASIL-B等級(jí)；

·?支持多路ADC；

·?支持多路CAN-FD；

·?車(chē)規(guī)等級(jí)AEC-Q100 Grade1；

·?支持在線升級(jí)（OTA），F(xiàn)lash支持雙Bank；

·?需要有SHE/HSM-light等級(jí)及以上信息加密引擎，支持安全啟動(dòng)；

·?Pin Count不低于100PIN；

（2）性能要求

·?IO支持寬電壓供電（5.5v~2.7v），IO口支持過(guò)壓使用；

很多信號(hào)輸入根據(jù)供電電池電壓波動(dòng)，存在過(guò)壓輸入情況，IO口支持過(guò)壓使用能提升系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠性。

·?存儲(chǔ)器壽命：

汽車(chē)生命周期長(zhǎng)達(dá)10年以上，因此汽車(chē)MCU程序存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需要有更長(zhǎng)的壽命。程序存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需要有單獨(dú)物理分區(qū)，其中程序存儲(chǔ)擦寫(xiě)次數(shù)較少，因此Endurance>10K即可，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需要頻繁擦寫(xiě)，需要有更大的擦寫(xiě)次數(shù)，參考data flash指標(biāo)Endurance>100K, 15年(<1K),10年(<100K)。

·?通信總線接口；

汽車(chē)上總線通信負(fù)荷量越來(lái)越高，因此傳統(tǒng)CAN已不能滿(mǎn)足通信需求，高速CAN-FD總線需求越來(lái)越高，支持CAN-FD逐漸成為MCU標(biāo)配。

（3）產(chǎn)業(yè)格局

目前國(guó)產(chǎn)智能座艙MCU占比還很低，主要供應(yīng)商仍然是NXP、 Renesas、Infineon、ST、Microchip等國(guó)際MCU廠商。國(guó)內(nèi)有多家MCU廠商已在布局，市場(chǎng)表現(xiàn)還有待觀察。

（4）行業(yè)壁壘

智能座艙車(chē)規(guī)等級(jí)、功能安全等級(jí)相對(duì)不算太高，主要是know how方面的積累，需要不斷的產(chǎn)品迭代和完善。同時(shí)由于國(guó)內(nèi)晶圓廠有車(chē)規(guī)MCU產(chǎn)線的不多，制程也相對(duì)落后一些，若要實(shí)現(xiàn)全國(guó)產(chǎn)供應(yīng)鏈需要一段時(shí)間的磨合，同時(shí)可能還存在成本更高的情況，與國(guó)際廠商競(jìng)爭(zhēng)壓力更大。

審核編輯：劉清