Introduktion av kontrollklasschip
Kontrollchipet hänvisar huvudsakligen till MCU (Microcontroller Unit), det vill säga mikrokontrollern, även känd som ett enda chip, har till uppgift att reducera CPU-frekvensen och specifikationerna på lämpligt sätt, och minne, timer, A/D-omvandling, klocka, I/O-port och seriell kommunikation och andra funktionella moduler och gränssnitt är integrerade på ett enda chip. Genom att förverkliga terminalstyrningsfunktionen har den fördelarna med hög prestanda, låg strömförbrukning, programmerbarhet och hög flexibilitet.
MCU-diagram över fordonets mätarnivå
Fordonsindustrin är ett mycket viktigt tillämpningsområde för MCU, enligt data från IC Insights, stod den globala MCU-applikationen inom fordonselektronik för cirka 33 % år 2019. Antalet MCUS som används av varje bil i high-end-modeller är nära 100, från kördatorer, LCD-instrument, till motorer, chassi, stora och små komponenter i bilen som behöver MCU-styrning.
I början användes 8-bitars och 16-bitars MCUS huvudsakligen i bilar, men med den kontinuerliga förbättringen av bilelektronisering och intelligens ökar även antalet och kvaliteten på MCUS som behövs. För närvarande har andelen 32-bitars MCUS i bil-MCUS nått cirka 60 %, varav ARM:s Cortex-kärna, på grund av dess låga kostnad och utmärkta effektreglering, är det vanligaste valet bland tillverkare av bil-MCU.
De viktigaste parametrarna för en MCU för fordonsteknik inkluderar driftspänning, driftfrekvens, flash- och RAM-kapacitet, timermodul och kanalnummer, ADC-modul och kanalnummer, typ och nummer av seriellt kommunikationsgränssnitt, in- och utgångs-I/O-portnummer, driftstemperatur, paketform och funktionell säkerhetsnivå.
Uppdelat på CPU-bitar kan fordons-MCUS huvudsakligen delas in i 8-bitars, 16-bitars och 32-bitars. Med processuppgraderingen fortsätter kostnaden för 32-bitars MCUS att sjunka, och det har nu blivit mainstream och ersätter gradvis de applikationer och marknader som tidigare dominerades av 8/16-bitars MCUS.
Om den uppdelas enligt tillämpningsområde kan en fordons-MCU delas in i karosseridomänen, effektdomänen, chassidomänen, cockpitdomänen och den intelligenta drivdomänen. För cockpitdomänen och den intelligenta drivdomänen behöver MCU:n ha hög datorkraft och externa kommunikationsgränssnitt med hög hastighet, såsom CAN FD och Ethernet. Karosseridomänen kräver också ett stort antal externa kommunikationsgränssnitt, men MCU:ns datorkraftkrav är relativt låga, medan effektdomänen och chassidomänen kräver högre driftstemperatur och funktionella säkerhetsnivåer.
Chassidomänkontrollchip
Chassiområdet är relaterat till fordonskörning och består av transmissionssystem, körsystem, styrsystem och bromssystem. Det består av fem delsystem, nämligen styrning, bromsning, växling, gas och fjädring. Med utvecklingen av bilens intelligens är perceptionsigenkänning, beslutsplanering och kontrollutförande av intelligenta fordon kärnsystemen inom chassiområdet. Styrning-by-wire och drive-by-wire är kärnkomponenterna för den effektiva delen av automatisk körning.
(1) Arbetskrav
Chassidomänens ECU använder en högpresterande, skalbar funktionell säkerhetsplattform och stöder sensorkluster och fleraxliga tröghetssensorer. Baserat på detta tillämpningsscenario föreslås följande krav för chassidomänens MCU:
· Hög frekvens och höga datorkraftkrav, huvudfrekvensen är inte mindre än 200 MHz och datorkraften är inte mindre än 300 DMIPS
· Flashlagringsutrymmet är inte mindre än 2 MB, med fysisk partition för kodflash och dataflash;
· RAM-minne inte mindre än 512 KB;
· Höga krav på funktionell säkerhet, kan nå ASIL-D-nivå;
· Stöd för 12-bitars precisions-ADC;
· Stöd för 32-bitars timer med hög precision och hög synkronisering;
· Stöd för flerkanalig CAN-FD;
· Stöder inte mindre än 100M Ethernet;
· Tillförlitlighet inte lägre än AEC-Q100 Grade 1;
· Stöd för onlineuppgradering (OTA);
· Stöd för verifiering av firmware (nationell hemlig algoritm);
(2) Prestandakrav
· Kärndel:
I. Kärnfrekvens: det vill säga klockfrekvensen när kärnan arbetar, vilken används för att representera hastigheten på kärnans digitala pulssignaloscillation, och huvudfrekvensen kan inte direkt representera kärnans beräkningshastighet. Kärnans drifthastighet är också relaterad till kärnans pipeline, cache, instruktionsuppsättning etc.
II. Datorkraft: DMIPS kan vanligtvis användas för utvärdering. DMIPS är en enhet som mäter den relativa prestandan hos MCU:ns integrerade benchmarkprogram när det testas.
· Minnesparametrar:
I. Kodminne: minne som används för att lagra kod;
II. Dataminne: minne som används för att lagra data;
III.RAM: Minne som används för att lagra tillfällig data och kod.
· Kommunikationsbuss: inklusive specialbussar för bilar och konventionella kommunikationsbussar;
· Högprecisionstillbehör;
· Driftstemperatur;
(3) Industriellt mönster
Eftersom den elektriska och elektroniska arkitekturen som används av olika biltillverkare kommer att variera, kommer komponentkraven för chassiområdet att variera. På grund av den olika konfigurationen av olika modeller från samma bilfabrik kommer ECU-valet för chassiområdet att vara olika. Dessa skillnader kommer att resultera i olika MCU-krav för chassiområdet. Till exempel använder Honda Accord tre MCU-chip inom chassiområdet, och Audi Q7 använder cirka 11 MCU-chip inom chassiområdet. År 2021 är produktionen av kinesiska personbilar cirka 10 miljoner, varav den genomsnittliga efterfrågan på MCUS inom cykelchassiområdet är 5, och den totala marknaden har nått cirka 50 miljoner. De viktigaste leverantörerna av MCUS inom chassiområdet är Infineon, NXP, Renesas, Microchip, TI och ST. Dessa fem internationella halvledarleverantörer står för mer än 99 % av marknaden för MCUS inom chassiområdet.
(4) Branschhinder
Ur ett centralt tekniskt perspektiv är komponenterna i chassiområdet, såsom EPS, EPB och ESC, nära relaterade till förarens livssäkerhet. Därför är den funktionella säkerhetsnivån för MCU:n inom chassiområdet mycket hög, i princip på ASIL-D-nivå. Denna funktionella säkerhetsnivå för MCU är inte uppfylld i Kina. Utöver den funktionella säkerhetsnivån har tillämpningsscenarierna för chassikomponenter mycket höga krav på MCU-frekvens, datorkraft, minneskapacitet, periferiprestanda, periferinoggrannhet och andra aspekter. MCU inom chassiområdet har bildat en mycket hög industribarriär som kräver att inhemska MCU-tillverkare utmanar och bryter.
När det gäller leveranskedjan, på grund av kraven på hög frekvens och hög datorkraft för kontrollchipet i chassidomänkomponenterna, ställs relativt höga krav på processen och processen för waferproduktion. För närvarande verkar det som att minst 55 nm-processer krävs för att uppfylla MCU-frekvenskraven över 200 MHz. I detta avseende är den inhemska MCU-produktionslinjen inte komplett och har inte nått massproduktionsnivån. Internationella halvledartillverkare har i princip anammat IDM-modellen, och när det gäller wafergjuterier har för närvarande endast TSMC, UMC och GF motsvarande kapacitet. Inhemska chiptillverkare är alla Fabless-företag, och det finns utmaningar och vissa risker inom wafertillverkning och kapacitetssäkring.
I centrala datorscenarier som autonom körning är traditionella processorer för allmänt bruk svåra att anpassa till AI-beräkningskrav på grund av deras låga beräkningseffektivitet, och AI-chip som GPU:er, FPGA:er och ASIC:er har utmärkt prestanda i edge- och molnmiljö med sina egna egenskaper och används i stor utsträckning. Ur tekniktrendernas perspektiv kommer GPU fortfarande att vara det dominerande AI-chippet på kort sikt, och på lång sikt är ASIC den ultimata riktningen. Ur marknadstrendernas perspektiv kommer den globala efterfrågan på AI-chip att bibehålla en snabb tillväxttakt, och moln- och edge-chip har större tillväxtpotential, och marknadstillväxttakten förväntas ligga nära 50 % under de kommande fem åren. Även om grunden för inhemsk chipteknik är svag, skapar den snabba efterfrågan på AI-chip med den snabba lanseringen av AI-applikationer möjligheter för teknik- och kapacitetstillväxt hos lokala chipföretag. Autonom körning har strikta krav på datorkraft, fördröjning och tillförlitlighet. För närvarande används GPU+FPGA-lösningar mest. Med algoritmernas stabilitet och datadrivna processorer förväntas ASIC:er vinna marknadsutrymme.
Mycket utrymme behövs på CPU-chippet för branch prediction och optimering, vilket sparar olika tillstånd för att minska latensen vid uppgiftsväxling. Detta gör det också mer lämpligt för logisk styrning, seriell drift och generell datadrift. Ta GPU och CPU som exempel. Jämfört med CPU använder GPU ett stort antal beräkningsenheter och en lång pipeline, endast en mycket enkel styrlogik och eliminerar cachen. CPU:n upptar inte bara mycket utrymme av cachen, utan har också komplex styrlogik och många optimeringskretsar, vilket jämfört med att datorkraften bara är en liten del.
Kontrollchip för kraftdomän
Power domain controller är en intelligent drivlinehanteringsenhet. Med CAN/FLEXRAY för att uppnå transmissionshantering, batterihantering, övervakning av generatorreglering, används den främst för drivlineoptimering och styrning, samtidigt som den har både elektrisk intelligent feldiagnos, intelligent energibesparing, busskommunikation och andra funktioner.
(1) Arbetskrav
Kraftdomänkontroll-MCU:n kan stödja viktiga applikationer inom kraft, såsom BMS, med följande krav:
· Hög huvudfrekvens, huvudfrekvens 600 MHz ~ 800 MHz
· RAM-minne 4 MB
· Höga krav på funktionell säkerhet, kan nå ASIL-D-nivå;
· Stöd för flerkanalig CAN-FD;
· Stöd för 2G Ethernet;
· Tillförlitlighet inte lägre än AEC-Q100 Grade 1;
· Stöd för verifiering av firmware (nationell hemlig algoritm);
(2) Prestandakrav
Hög prestanda: Produkten integrerar ARM Cortex R5 dual-core lock-step CPU och 4 MB inbyggt SRAM för att stödja de ökande datorkrafts- och minneskraven för fordonsapplikationer. ARM Cortex-R5F CPU upp till 800 MHz. Hög säkerhet: Fordonsspecifikationsstandarden AEC-Q100 når grad 1, och den funktionella säkerhetsnivån ISO26262 når ASIL D. Dual-core lock-step CPU:n kan uppnå upp till 99 % diagnostisk täckning. Den inbyggda informationssäkerhetsmodulen integrerar en äkta slumptalsgenerator, AES, RSA, ECC, SHA och hårdvaruacceleratorer som uppfyller relevanta standarder för statlig och företagssäkerhet. Integreringen av dessa informationssäkerhetsfunktioner kan möta behoven hos applikationer som säker start, säker kommunikation, säker firmwareuppdatering och uppgradering.
Chip för kontroll av kroppsyta
Karossområdet ansvarar huvudsakligen för styrningen av karossens olika funktioner. Med fordonets utveckling har karossområdets styrenhet blivit alltmer integrerad. För att minska kostnaden för styrenheten och vikten på fordonet måste alla funktionella enheter, från den främre delen, bilens mittdel och den bakre delen, såsom bakre bromsljus, bakre positionsljus, bakdörrlås och till och med dubbelstång, integreras i en total styrenhet.
En karosserikontroll integrerar generellt BCM, PEPS, TPMS, Gateway och andra funktioner, men kan även utöka sätesjustering, backspegelkontroll, luftkonditioneringskontroll och andra funktioner, omfattande och enhetlig hantering av varje ställdon, rimlig och effektiv allokering av systemresurser. Funktionerna hos en karosserikontroll är många, som visas nedan, men är inte begränsade till de som listas här.
(1) Arbetskrav
De viktigaste kraven på MCU-styrkretsar för fordonselektronik är bättre stabilitet, tillförlitlighet, säkerhet, realtids- och andra tekniska egenskaper, samt högre beräkningsprestanda och lagringskapacitet, och lägre krav på strömförbrukningsindex. Karosseristyrenheten har gradvis övergått från en decentraliserad funktionell distribution till en stor styrenhet som integrerar alla grundläggande drivenheter för karosselektronik, nyckelfunktioner, belysning, dörrar, fönster etc. Karosseristyrsystemets design integrerar belysning, vindrutetorkarspolning, centralstyrda dörrlås, fönster och andra kontroller, intelligenta PEPS-nycklar, energihantering etc. Förutom gateway CAN, utökningsbara CANFD och FLEXRAY, LIN-nätverk, Ethernet-gränssnitt och modulutveckling och designteknik.
Generellt sett återspeglas arbetskraven för de ovan nämnda kontrollfunktionerna för MCU:ns huvudkontrollchip i karossområdet huvudsakligen i aspekterna beräknings- och bearbetningsprestanda, funktionell integration, kommunikationsgränssnitt och tillförlitlighet. När det gäller specifika krav, på grund av funktionella skillnader i olika funktionella applikationsscenarier i karossområdet, såsom elfönsterhissar, automatiska säten, elektrisk baklucka och andra karossapplikationer, finns det fortfarande behov av högeffektiv motorstyrning. Sådana karossapplikationer kräver att MCU:n integrerar FOC elektronisk styralgoritm och andra funktioner. Dessutom har olika applikationsscenarier i karossområdet olika krav på chipets gränssnittskonfiguration. Därför är det vanligtvis nödvändigt att välja karossområdets MCU enligt funktions- och prestandakraven för det specifika applikationsscenariot, och utifrån detta göra en omfattande mätning av produktens kostnadsprestanda, leveransförmåga och teknisk service och andra faktorer.
(2) Prestandakrav
De viktigaste referensindikatorerna för MCU-chippet för kroppsområdeskontroll är följande:
Prestanda: ARM Cortex-M4F@ 144MHz, 180DMIPS, inbyggd 8KB instruktionscache, stöd för Flash acceleration unit execution program 0 wait.
Krypterat minne med stor kapacitet: upp till 512K byte eFlash, stöd för krypterad lagring, partitionshantering och dataskydd, stöd för ECC-verifiering, 100 000 raderingar, 10 års datalagring; 144K byte SRAM, stöd för hårdvaruparitet.
Integrerade, rika kommunikationsgränssnitt: Stödjer flerkanaliga GPIO, USART, UART, SPI, QSPI, I2C, SDIO, USB2.0, CAN 2.0B, EMAC, DVP och andra gränssnitt.
Integrerad högpresterande simulator: Stödjer 12-bitars 5 Msps höghastighets-ADC, oberoende operationsförstärkare från skena till skena, analog komparator med hög hastighet, 12-bitars 1 Msps DAC; Stödjer extern ingångsoberoende referensspänningskälla, flerkanalig kapacitiv pekknapp; DMA-styrenhet med hög hastighet.
Stöd för intern RC- eller extern kristallklockingång, återställning med hög tillförlitlighet.
Inbyggd kalibrerings-RTC-realtidsklocka, stöd för skottårskalender, larmhändelser, periodisk väckning.
Stöd för hög precisionstidräknare.
Säkerhetsfunktioner på hårdvarunivå: Krypteringsalgoritm för hårdvaruacceleration, stöd för AES-, DES-, TDES-, SHA1/224/256-, SM1-, SM3-, SM4-, SM7- och MD5-algoritmer; Kryptering av flashlagring, hantering av partitioner för flera användare (MMU), TRNG-generator för slumptalsgenerator, CRC16/32-drift; Stöd för skrivskydd (WRP), flera lässkyddsnivåer (RDP) (L0/L1/L2); Stöd för säkerhetsstart, nedladdning av programkryptering, säkerhetsuppdatering.
Stödjer övervakning av klockfel och övervakning mot rivning.
96-bitars UID och 128-bitars UCID.
Mycket tillförlitlig arbetsmiljö: 1,8V ~ 3,6V/-40℃ ~ 105℃.
(3) Industriellt mönster
Det elektroniska systemet för karosseri är i ett tidigt tillväxtstadium för både utländska och inhemska företag. Utländska företag inom exempelvis BCM, PEPS, dörrar och fönster, säteskontroller och andra enfunktionsprodukter har en djup teknisk ackumulering, medan de stora utländska företagen har en bred täckning av produktlinjer, vilket lägger grunden för dem att göra systemintegrationsprodukter. Inhemska företag har vissa fördelar när det gäller tillämpningen av nya energifordonskarosser. Ta BYD som ett exempel, i BYD:s nya energifordon är karosserian uppdelad i vänster och höger område, och produkten av systemintegrationen omorganiseras och definieras. När det gäller karosserikontrollchip är dock huvudleverantören av MCU fortfarande Infineon, NXP, Renesas, Microchip, ST och andra internationella chiptillverkare, och inhemska chiptillverkare har för närvarande en låg marknadsandel.
(4) Branschhinder
Ur kommunikationsperspektivet finns det en utvecklingsprocess för traditionell arkitektur – hybridarkitektur – den slutgiltiga fordonsdatorplattformen. Förändringen i kommunikationshastighet, såväl som prissänkningen av grundläggande datorkraft med hög funktionell säkerhet, är nyckeln, och det är möjligt att gradvis realisera kompatibiliteten mellan olika funktioner på elektronisk nivå hos den grundläggande styrenheten i framtiden. Till exempel kan karosseristyrenheten integrera traditionella BCM-, PEPS- och ripple anti-pinch-funktioner. Relativt sett är de tekniska barriärerna för karosserikontrollchippen lägre än för effektområde, förarplatsområde etc., och inhemska chips förväntas ta ledningen i att göra ett stort genombrott inom karossområdet och gradvis realisera inhemsk substitution. Under senare år har den inhemska MCU:n på marknaden för front- och bakmontering av karosser haft en mycket god utvecklingstakt.
Cockpit-kontrollchip
Elektrifiering, intelligens och nätverk har accelererat utvecklingen av fordonselektronik och elektrisk arkitektur i riktning mot domänkontroll, och förarhytten utvecklas också snabbt från fordonets ljud- och videounderhållningssystem till den intelligenta förarhytten. Förarhytten har ett gränssnitt för människa-datorinteraktion, men oavsett om det är det tidigare infotainmentsystemet eller den nuvarande intelligenta förarhytten, förutom att ha en kraftfull SOC med beräkningshastighet, behöver den också en MCU med hög realtidskapacitet för att hantera datainteraktionen med fordonet. Den gradvisa populariseringen av programvarudefinierade fordon, OTA och Autosar i den intelligenta förarhytten gör kraven på MCU-resurser i förarhytten allt högre. Specifikt återspeglas i den ökande efterfrågan på FLASH- och RAM-kapacitet, och efterfrågan på PIN-antal ökar också, mer komplexa funktioner kräver starkare programkörningskapacitet, men har också ett rikare bussgränssnitt.
(1) Arbetskrav
MCU i kupén hanterar huvudsakligen systemets strömhantering, hantering av starttid, nätverkshantering, diagnos, interaktion med fordonsdata, hantering av nyckel, bakgrundsbelysning, hantering av DSP/FM-ljudmoduler, systemtidshantering och andra funktioner.
MCU-resurskrav:
· Huvudfrekvensen och beräkningskraften har vissa krav, huvudfrekvensen är inte mindre än 100 MHz och beräkningskraften är inte mindre än 200 DMIPS;
· Flashlagringsutrymmet är inte mindre än 1 MB, med fysisk partition för kodflash och dataflash;
· RAM-minne inte mindre än 128 KB;
· Höga krav på funktionell säkerhet, kan nå ASIL-B-nivå;
· Stöd för flerkanalig ADC;
· Stöd för flerkanalig CAN-FD;
· Fordonsregleringsklass AEC-Q100 klass 1;
· Stöd för onlineuppgradering (OTA), Flash-stöd för dubbelbank;
· En informationskrypteringsmotor på SHE/HSM-lätt nivå och högre krävs för säker start;
· Antalet pinkoder är inte mindre än 100;
(2) Prestandakrav
IO stöder bredspänningsströmförsörjning (5,5 V ~ 2,7 V), IO-porten stöder överspänningsanvändning;
Många signalingångar varierar beroende på spänningen i strömförsörjningsbatteriet, och överspänning kan uppstå. Överspänning kan förbättra systemets stabilitet och tillförlitlighet.
Minneslivslängd:
Bilens livscykel är mer än 10 år, så bilens MCU-programlagring och datalagring behöver ha en längre livslängd. Programlagring och datalagring behöver ha separata fysiska partitioner, och programlagringen behöver raderas mer sällan, så uthållighet > 10 000, medan datalagringen behöver raderas oftare, så den behöver raderas oftare. Se dataflashindikatorn Uthållighet > 100 000, 15 år (< 1 000). 10 år (< 100 000).
Kommunikationsbussgränssnitt;
Belastningen på busskommunikationen på fordonet blir högre och högre, så den traditionella CAN CAN-bussen uppfyller inte längre kommunikationsbehovet. Efterfrågan på höghastighets-CAN-FD-bussen blir högre och högre, och stöd för CAN-FD har gradvis blivit MCU-standarden.
(3) Industriellt mönster
För närvarande är andelen inhemska smarta mikrokontroller (MCU) fortfarande mycket låg, och de viktigaste leverantörerna är fortfarande NXP, Renesas, Infineon, ST, Microchip och andra internationella MCU-tillverkare. Ett antal inhemska MCU-tillverkare har funnits med i utbudet, men marknadsutvecklingen återstår att se.
(4) Branschhinder
Regleringsnivån för intelligenta kabinbilar och funktionssäkerhetsnivån är relativt sett inte alltför höga, främst på grund av ackumulerad kunskap och behovet av kontinuerlig produktiteration och förbättring. Samtidigt, eftersom det inte finns många MCU-produktionslinjer i inhemska fabriker, är processen relativt bakåtsträvande, och det tar tid att uppnå den nationella produktionskedjan, och det kan bli högre kostnader, och konkurrenstrycket från internationella tillverkare är större.
Tillämpning av inhemskt kontrollchip
Bilstyrningschips är huvudsakligen baserade på bil-MCU. Ledande inhemska företag som Ziguang Guowei, Huada Semiconductor, Shanghai Xinti, Zhaoyi Innovation, Jiefa Technology, Xinchi Technology, Beijing Junzheng, Shenzhen Xihua, Shanghai Qipuwei, National Technology, etc., har alla MCU-produktsekvenser i bilskala, vilket jämför utländska jätteprodukter och är för närvarande baserade på ARM-arkitektur. Vissa företag har också bedrivit forskning och utveckling av RISC-V-arkitektur.
För närvarande används chipet för inhemska fordonsstyrningsdomäner huvudsakligen inom frontlastning för fordon och har tillämpats på bilar inom karosseri- och infotainmentområdet. Inom chassi-, kraft- och andra områden domineras det fortfarande av utländska chipjättar som stmicroelectronics, NXP, Texas Instruments och Microchip Semiconductor, och endast ett fåtal inhemska företag har realiserat massproduktionsapplikationer. För närvarande kommer den inhemska chiptillverkaren Chipchi att släppa högpresterande styrchipprodukter i E3-serien baserade på ARM Cortex-R5F i april 2022, med en funktionell säkerhetsnivå som når ASIL D, temperaturnivå som stöder AEC-Q100 Grade 1, CPU-frekvens upp till 800 MHz, med upp till 6 CPU-kärnor. Det är den högpresterande produkten på den befintliga massproducerade fordonsmätar-MCU:n och fyller luckan på den inhemska marknaden för avancerade fordonsmätar-MCU:er med hög prestanda och hög tillförlitlighet, och kan användas i BMS, ADAS, VCU, by-wire-chassi, instrument, HUD, intelligenta backspeglar och andra centrala fordonsstyrningsområden. Mer än 100 kunder har anammat E3 för produktdesign, inklusive GAC, Geely, etc.
Tillämpning av kärnprodukter för inhemsk styrning
Publiceringstid: 19 juli 2023
