Introduktion av kontrollklasschip
Kontrollchippet hänvisar huvudsakligen till MCU (Microcontroller Unit), det vill säga mikrokontrollern, även känd som det enda chippet, är för att reducera CPU-frekvensen och specifikationerna på lämpligt sätt, och minnet, timern, A/D-omvandlingen, klockan, I /O-port och seriell kommunikation och andra funktionella moduler och gränssnitt integrerade på ett enda chip.Genom att förverkliga terminalkontrollfunktionen har den fördelarna med hög prestanda, låg strömförbrukning, programmerbar och hög flexibilitet.
MCU-diagram över fordonsmätarnivå
Automotive är ett mycket viktigt applikationsområde för MCU, enligt IC Insights data, 2019 stod den globala MCU-applikationen inom fordonselektronik för cirka 33%.Antalet MCUS som används av varje bil i avancerade modeller är nära 100, från kördatorer, LCD-instrument, till motorer, chassi, stora och små komponenter i bilen behöver MCU-kontroll.
Under de första dagarna användes 8-bitars och 16-bitars MCUS främst i bilar, men med den kontinuerliga förbättringen av bilelektronisering och intelligens ökar också antalet och kvaliteten på MCUS som krävs.För närvarande har andelen 32-bitars MCUS i MCUS för bilar nått cirka 60 %, varav kärnan i ARM Cortex-serien, på grund av dess låga kostnad och utmärkta effektkontroll, är det vanliga valet av MCU-tillverkare för bilar.
Huvudparametrarna för MCU för bilar inkluderar driftspänning, driftsfrekvens, Flash- och RAM-kapacitet, timermodul och kanalnummer, ADC-modul och kanalnummer, seriell kommunikationsgränssnittstyp och nummer, ingångs- och utgångs-I/O-portnummer, driftstemperatur, paket form och funktionssäkerhetsnivå.
Delat med CPU-bitar kan bil-MCUS huvudsakligen delas in i 8 bitar, 16 bitar och 32 bitar.Med processuppgraderingen fortsätter kostnaden för 32-bitars MCUS att falla, och den har nu blivit mainstream, och den ersätter gradvis de applikationer och marknader som dominerades av 8/16-bitars MCUS tidigare.
Om den är uppdelad enligt applikationsfältet kan fordons-MCU delas in i karossdomänen, kraftdomänen, chassidomänen, cockpitdomänen och den intelligenta kördomänen.För cockpitdomänen och den intelligenta drivdomänen behöver MCU:n ha hög datorkraft och höghastighets externa kommunikationsgränssnitt, såsom CAN FD och Ethernet.Kroppsdomänen kräver också ett stort antal externa kommunikationsgränssnitt, men datorkraftskraven för MCU:n är relativt låga, medan effektdomänen och chassidomänen kräver högre driftstemperatur och funktionella säkerhetsnivåer.
Chassidomänkontrollchip
Chassidomän är relaterad till fordonskörning och består av transmissionssystem, drivsystem, styrsystem och bromssystem.Den är sammansatt av fem delsystem, nämligen styrning, bromsning, växling, gas och fjädringssystem.Med utvecklingen av bilintelligens är perceptionsigenkänning, beslutsplanering och kontrollutförande av intelligenta fordon kärnsystemen i chassidomänen.Steering-by-wire och drive-by-wire är kärnkomponenterna för den verkställande delen av automatisk körning.
(1) Arbetskrav
ECU:n för chassidomänen använder en högpresterande, skalbar funktionell säkerhetsplattform och stöder sensorkluster och fleraxliga tröghetssensorer.Baserat på detta applikationsscenario föreslås följande krav för chassidomänens MCU:
· Högfrekventa och höga krav på datorkraft, huvudfrekvensen är inte mindre än 200MHz och datorkraften är inte mindre än 300DMIPS
· Flash-lagringsutrymme är inte mindre än 2 MB, med kod Flash och data Flash fysisk partition;
· RAM inte mindre än 512KB;
· Höga krav på funktionssäkerhet, kan nå ASIL-D-nivå;
· Stöd 12-bitars precision ADC;
· Stöd 32-bitars hög precision, hög synkroniseringstimer;
· Stöd CAN-FD för flera kanaler;
· Stöd inte mindre än 100M Ethernet;
· Tillförlitlighet inte lägre än AEC-Q100 Grade1;
· Stöd onlineuppgradering (OTA);
· Stödja verifieringsfunktion för firmware (nationell hemlig algoritm);
(2) Prestandakrav
· Kärndel:
I. Kärnfrekvens: det vill säga klockfrekvensen när kärnan arbetar, som 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 för MCU:s integrerade benchmark-program 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 temporär data och kod.
· Kommunikationsbuss: inklusive specialbuss för bilar och konventionell kommunikationsbuss;
· Högprecision kringutrustning;
· Driftstemperatur;
(3) Industriellt mönster
Eftersom den elektriska och elektroniska arkitekturen som används av olika biltillverkare varierar, kommer komponentkraven för chassidomänen att variera.På grund av olika konfigurationer av olika modeller från samma bilfabrik kommer ECU-valet i chassiområdet att vara annorlunda.Dessa distinktioner kommer att resultera i olika MCU-krav för chassidomänen.Till exempel använder Honda Accord tre chassidomän-MCU-chips, och Audi Q7 använder cirka 11 chassidomän-MCU-chips.År 2021 är produktionen av kinesiska märkespersonbilar cirka 10 miljoner, varav den genomsnittliga efterfrågan på cykelchassidomän MCUS är 5, och den totala marknaden har nått cirka 50 miljoner.Huvudleverantörerna av MCUS i hela chassidomänen är Infineon, NXP, Renesas, Microchip, TI och ST.Dessa fem internationella halvledarleverantörer står för mer än 99 % av marknaden för chassidomän MCUS.
(4) Industrihinder
Ur nyckelteknisk synvinkel är komponenterna i chassidomänen som EPS, EPB, ESC nära relaterade till förarens livssäkerhet, så den funktionella säkerhetsnivån för chassidomänens MCU är mycket hög, i princip ASIL-D nivåkrav.Denna funktionssäkerhetsnivå för MCU är tom i Kina.Utöver den funktionella säkerhetsnivån har applikationsscenarierna för chassikomponenter mycket höga krav på MCU-frekvens, datorkraft, minneskapacitet, perifer prestanda, perifer noggrannhet och andra aspekter.Chassidomänen MCU har bildat en mycket hög industribarriär, som behöver inhemska MCU-tillverkare att utmana och bryta.
När det gäller försörjningskedjan, på grund av kraven på hög frekvens och hög datorkraft för kontrollchippet för chassidomänkomponenterna, ställs relativt höga krav på processen och processen för waferproduktion.För närvarande verkar det som om en process på minst 55nm krävs för att uppfylla MCU-frekvenskraven över 200MHz.I detta avseende är den inhemska MCU-produktionslinjen inte komplett och har inte nått massproduktionsnivån.Internationella halvledartillverkare har i princip antagit IDM-modellen, vad gäller wafergjuterier, för närvarande har 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 kärndatorscenarier som autonom körning är traditionella processorer för generella ändamål svåra att anpassa till AI-beräkningskraven på grund av deras låga beräkningseffektivitet, och AI-chips som Gpus, FPgas och ASics har utmärkt prestanda vid kanten och molnet med sina egna egenskaper och används ofta.Ur tekniktrenders perspektiv kommer GPU fortfarande att vara det dominerande AI-chippet på kort sikt, och på lång sikt är ASIC den ultimata riktningen.Ur marknadstrenders perspektiv kommer den globala efterfrågan på AI-chip att upprätthålla en snabb tillväxttakt, och moln- och edge-chips har större tillväxtpotential, och marknadstillväxten förväntas vara nära 50% under de kommande fem åren.Även om grunden för inhemsk chipteknologi är svag, med den snabba landningen av AI-applikationer, skapar den snabba volymen av AI-chipefterfrågan möjligheter för lokala chipföretags teknik- och kapacitetstillväxt.Autonom körning har stränga krav på datorkraft, fördröjning och tillförlitlighet.För närvarande används mest GPU+FPGA-lösningar.Med stabiliteten hos algoritmer och datadrivna förväntas ASics få marknadsutrymme.
Mycket utrymme behövs på CPU-chippet för grenförutsägelse och optimering, vilket sparar olika tillstånd för att minska fördröjningen av uppgiftsbyte.Detta gör den också mer lämpad för logisk styrning, seriell drift och allmän datadrift.Ta GPU och CPU som ett exempel, jämfört med CPU, GPU använder ett stort antal datorenheter och en lång pipeline, bara en mycket enkel kontrolllogik och eliminera cachen.CPU:n upptar inte bara mycket utrymme av cachen, men har också komplex kontrolllogik och många optimeringskretsar, jämfört med datorkraften är bara en liten del.
Power domänkontrollchip
Power Domain Controller är en intelligent drivlinahanteringsenhet.Med CAN/FLEXRAY för att uppnå transmissionshantering, batterihantering, övervakning av generatorreglering, används främst för drivlinaoptimering och styrning, medan både elektrisk intelligent feldiagnos intelligent energibesparing, busskommunikation och andra funktioner.
(1) Arbetskrav
MCU:n för effektdomänkontroll kan stödja stora applikationer inom kraft, såsom BMS, med följande krav:
· Hög huvudfrekvens, huvudfrekvens 600MHz~800MHz
· RAM 4MB
· Höga krav på funktionssäkerhet, kan nå ASIL-D-nivå;
· Stöd CAN-FD för flera kanaler;
· Stöd 2G Ethernet;
· Tillförlitlighet inte lägre än AEC-Q100 Grade1;
· Stödja verifieringsfunktion för firmware (nationell hemlig algoritm);
(2) Prestandakrav
Hög prestanda: Produkten integrerar ARM Cortex R5 dual-core lock-step CPU och 4MB on-chip SRAM för att stödja de ökande datorkrafts- och minneskraven för fordonstillämpningar.ARM Cortex-R5F CPU upp till 800MHz.Hög säkerhet: Fordonsspecifikationens tillförlitlighetsstandard AEC-Q100 når Grad 1, och ISO26262 funktionssäkerhetsnivån når ASIL D. Den tvåkärniga låsstegsprocessorn kan uppnå upp till 99 % diagnostisk täckning.Den inbyggda informationssäkerhetsmodulen integrerar slumptalsgenerator, AES, RSA, ECC, SHA och hårdvaruacceleratorer som överensstämmer med relevanta standarder för statlig och företagssäkerhet.Integrationen av dessa informationssäkerhetsfunktioner kan möta behoven hos applikationer som säker start, säker kommunikation, säker firmwareuppdatering och uppgradering.
Kroppsområdeskontrollchip
Kroppsområdet är huvudsakligen ansvarigt för kontrollen av olika funktioner i kroppen.Med utvecklingen av fordonet är kroppsområdeskontrollern också mer och mer, för att minska kostnaden för kontrollenheten, minska fordonets vikt, integration måste sätta alla funktionella enheter, från den främre delen, mitten en del av bilen och den bakre delen av bilen, såsom det bakre bromsljuset, det bakre positionsljuset, det bakre dörrlåset och till och med den dubbla stagstången enhetlig integrering i en total styrenhet.
Kroppsområdeskontroller integrerar i allmänhet BCM, PEPS, TPMS, Gateway och andra funktioner, men kan också utöka sätesjustering, backspegelkontroll, luftkonditioneringskontroll och andra funktioner, omfattande och enhetlig hantering av varje ställdon, rimlig och effektiv tilldelning av systemresurser .Funktionerna hos en kroppsområdeskontroller är många, som visas nedan, men är inte begränsade till de som listas här.
(1) Arbetskrav
De främsta kraven på bilelektronik för MCU-kontrollchips är bättre stabilitet, tillförlitlighet, säkerhet, realtidsegenskaper och andra tekniska egenskaper, såväl som högre datorprestanda och lagringskapacitet och lägre krav på energiförbrukningsindex.Kroppsområdeskontrollern har gradvis övergått från en decentraliserad funktionsinstallation till en stor kontrollenhet som integrerar alla grundläggande enheter inom karosselektronik, nyckelfunktioner, lampor, dörrar, fönster etc. Designen av kontrollsystemet för karossområdet integrerar belysning, torkartvätt, central kontrollera dörrlås, Fönster och andra kontroller, PEPS intelligenta nycklar, strömhantering etc. Samt gateway CAN, utbyggbar CANFD och FLEXRAY, LIN-nätverk, Ethernet-gränssnitt och modulutveckling och designteknik.
I allmänhet återspeglas arbetskraven för de ovan nämnda kontrollfunktionerna för MCU:s huvudkontrollchip i kroppsområdet huvudsakligen i aspekterna av dator- och bearbetningsprestanda, funktionell integration, kommunikationsgränssnitt och tillförlitlighet.När det gäller specifika krav, på grund av de funktionella skillnaderna i olika funktionella tillämpningsscenarier i karossområdet, såsom elfönster, automatiska säten, elektrisk baklucka och andra karosstillämpningar, finns det fortfarande högeffektiva motorstyrningsbehov, sådana karosstillämpningar kräver MCU för att integrera FOC elektronisk styralgoritm och andra funktioner.Dessutom har olika applikationsscenarier i kroppsområdet olika krav på kretsens gränssnittskonfiguration.Därför är det vanligtvis nödvändigt att välja kroppsområdets MCU i enlighet med funktions- och prestandakraven för det specifika applikationsscenariot, och på grundval av detta mäta produktens kostnadsprestanda, leveransförmåga och teknisk service och andra faktorer.
(2) Prestandakrav
Huvudreferensindikatorerna för MCU-chippet för kroppsområdeskontroll är följande:
Prestanda: ARM Cortex-M4F@ 144MHz, 180DMIPS, inbyggd 8KB instruktionscache-cache, stöd för körningsprogram för Flash-accelerationsenhet 0 vänta.
Krypterat minne med stor kapacitet: upp till 512K byte eFlash, stöd för krypterad lagring, partitionshantering och dataskydd, stöd för ECC-verifiering, 100 000 raderingstider, 10 års datalagring;144K byte SRAM, stöder hårdvaruparitet.
Integrerade rika kommunikationsgränssnitt: Stöd flerkanals GPIO, USART, UART, SPI, QSPI, I2C, SDIO, USB2.0, CAN 2.0B, EMAC, DVP och andra gränssnitt.
Integrerad högpresterande simulator: Stöd 12bit 5Msps höghastighets ADC, rail-to-rail oberoende operationsförstärkare, höghastighets analog komparator, 12bit 1Msps DAC;Stöd för extern ingångsoberoende referensspänningskälla, flerkanalig kapacitiv touchknapp;Höghastighets DMA-kontroller.
Stöd intern RC eller extern kristallklockingång, hög tillförlitlighetsåterställning.
Inbyggd kalibrering RTC realtidsklocka, stöd för eviga skottårskalender, larmhändelser, periodisk väckning.
Stöd timingräknare med hög precision.
Säkerhetsfunktioner på hårdvarunivå: Maskinvaruaccelerationsmotor för krypteringsalgoritm, stöder AES, DES, TDES, SHA1/224/256, SM1, SM3, SM4, SM7, MD5 algoritmer;Flash-lagringskryptering, multi-user partition management (MMU), TRNG true random number generator, CRC16/32 operation;Stöd för skrivskydd (WRP), flera lässkyddsnivåer (RDP) (L0/L1/L2);Stöd säkerhetsstart, nedladdning av programkryptering, säkerhetsuppdatering.
Stöd övervakning av klockfel och antirivningsövervakning.
96-bitars UID och 128-bitars UCID.
Mycket pålitlig arbetsmiljö: 1,8V ~ 3,6V/-40℃ ~ 105℃.
(3) Industriellt mönster
Det elektroniska systemet för kroppsområde är i ett tidigt skede av tillväxt för både utländska och inhemska företag.Utländska företag i såsom BCM, PEPS, dörrar och fönster, stolkontroller 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 i tillämpningen av nya energifordon kaross.Ta BYD som ett exempel, i BYD:s nya energifordon är kroppsområdet uppdelat i vänster och höger område, och produkten av systemintegration omarrangeras och definieras.När det gäller kretsar för kroppsområdeskontroll 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) Industrihinder
Ur kommunikationsperspektivet finns utvecklingsprocessen för traditionell arkitektur-hybridarkitektur - den slutliga fordonsdatorplattformen.Förändringen i kommunikationshastighet, såväl som prissänkningen av grundläggande datorkraft med hög funktionell säkerhet är nyckeln, och det är möjligt att gradvis inse kompatibiliteten för olika funktioner på den elektroniska nivån av den grundläggande styrenheten i framtiden.Till exempel kan kroppsområdeskontrollern integrera traditionella BCM-, PEPS- och rippel-anti-klämfunktioner.Relativt sett är de tekniska barriärerna för kroppsområdeskontrollchippet lägre än kraftområdet, cockpitområdet etc., och inhemska chips förväntas ta ledningen för att göra ett stort genombrott i kroppsområdet och gradvis realisera inhemsk substitution.Under de senaste åren har den inhemska MCU på marknaden för fram- och bakmontering av karosser haft en mycket god utvecklingstakt.
Kontrollchip för sittbrunn
Elektrifiering, intelligens och nätverk har påskyndat utvecklingen av fordons elektroniska och elektriska arkitektur till riktningen för domänkontroll, och cockpiten utvecklas också snabbt från fordonsljud- och videounderhållningssystem till den intelligenta cockpit.Sittbrunnen presenteras med ett interaktionsgränssnitt mellan människa och dator, men oavsett om det är det tidigare infotainmentsystemet eller den nuvarande intelligenta cockpiten behöver den, förutom att ha en kraftfull SOC med beräkningshastighet, också en högrealtids-MCU att hantera datainteraktionen med fordonet.Den gradvisa populariseringen av mjukvarudefinierade fordon, OTA och Autosar i den intelligenta cockpiten gör kraven på MCU-resurser i cockpiten allt högre.Specifikt återspeglas i den ökande efterfrågan på FLASH- och RAM-kapacitet, ökar efterfrågan på PIN Count också, mer komplexa funktioner kräver starkare programexekveringsmöjligheter, men har också ett rikare bussgränssnitt.
(1) Arbetskrav
MCU i kabinområdet realiserar huvudsakligen systemströmhantering, hantering av starttid, nätverkshantering, diagnos, fordonsdatainteraktion, nyckel, bakgrundsbelysningshantering, hantering av ljud DSP/FM-moduler, systemtidshantering och andra funktioner.
MCU-resurskrav:
· Huvudfrekvensen och datorkraften har vissa krav, huvudfrekvensen är inte mindre än 100MHz och datorkraften är inte mindre än 200DMIPS;
· Flash-lagringsutrymme är inte mindre än 1 MB, med kod Flash och data Flash fysisk partition;
· RAM inte mindre än 128KB;
· Höga krav på funktionssäkerhet, kan nå ASIL-B-nivå;
· Stöd för flerkanals ADC;
· Stöd CAN-FD för flera kanaler;
· Fordonsreglering Grade AEC-Q100 Grade1;
· Stöd onlineuppgradering (OTA), Flash-stöd för dubbelbank;
· SHE/HSM-ljusnivå och över informationskrypteringsmotor krävs för att stödja säker start;
· Pin Count är inte mindre än 100PIN;
(2) Prestandakrav
IO stöder bred spänningsförsörjning (5,5v~2,7v), IO-port stöder överspänningsanvändning;
Många signalingångar fluktuerar beroende på spänningen på strömförsörjningsbatteriet, och överspänning kan uppstå.Överspänning kan förbättra systemets stabilitet och tillförlitlighet.
Minnesliv:
Bilens livscykel är mer än 10 år, så lagring och datalagring av bil-MCU-program behöver ha en längre livslängd.Programlagring och datalagring behöver ha separata fysiska partitioner, och programlagringen behöver raderas färre gånger, så Endurance>10K, medan datalagringen behöver raderas oftare, så den behöver ha ett större antal raderingstider .Se datablixtindikatorn Endurance>100K, 15 år (<1K).10 år (<100 000).
Kommunikationsbussgränssnitt;
Busskommunikationsbelastningen på fordonet blir högre och högre, så den traditionella CAN KAN inte längre möta kommunikationsbehovet, höghastighets CAN-FD-bussbehovet blir högre och högre, stöd för CAN-FD har gradvis blivit MCU-standarden .
(3) Industriellt mönster
För närvarande är andelen inhemska smarta kabin-MCU fortfarande mycket låg, och huvudleverantörerna är fortfarande NXP, Renesas, Infineon, ST, Microchip och andra internationella MCU-tillverkare.Ett antal inhemska MCU-tillverkare har varit i layouten, marknadsprestandan återstår att se.
(4) Industrihinder
Den intelligenta kabinbilens regleringsnivå och funktionssäkerhetsnivån är relativt sett inte för hög, främst på grund av ackumuleringen av know-how och behovet av kontinuerlig produktiteration och förbättring.Samtidigt, eftersom det inte finns många MCU-produktionslinjer i inhemska fabriker, är processen relativt bakåt, och det tar en tid att uppnå den nationella produktionskedjan, och det kan bli högre kostnader och konkurrenstrycket med internationella tillverkare är större.
Tillämpning av inhemsk kontrollchip
Bilkontrollchips är huvudsakligen baserade på bil-MCU, inhemska ledande företag som Ziguang Guowei, Huada Semiconductor, Shanghai Xinti, Zhaoyi Innovation, Jiefa Technology, Xinchi Technology, Beijing Junzheng, Shenzhen Xihua, Shanghai Qipuwei, National Technology, etc., alla har bilskala MCU-produktsekvenser, benchmark utländska jätteprodukter, för närvarande baserade på ARM-arkitektur.Vissa företag har också bedrivit forskning och utveckling av RISC-V-arkitektur.
För närvarande används det inhemska fordonskontrolldomänchippet huvudsakligen på frontlastmarknaden för fordon och har applicerats på bilen i karossdomänen och infotainmentdomänen, medan det fortfarande domineras av chassi, kraftdomän och andra områden. utländska chipjättar som stmicroelectronics, NXP, Texas Instruments och Microchip Semiconductor, och endast ett fåtal inhemska företag har realiserat massproduktionstillämpningar.För närvarande kommer den inhemska chiptillverkaren Chipchi att släppa produkter i E3-serien med högpresterande kontrollchip baserat på ARM Cortex-R5F i april 2022, med funktionell säkerhetsnivå som når ASIL D, temperaturnivå som stöder AEC-Q100 Grade 1, CPU-frekvens upp till 800MHz , med upp till 6 CPU-kärnor.Det är den högsta prestandaprodukten i den befintliga massproduktionen av fordonsmätare MCU, som fyller tomrummet på den inhemska high-end högsäkerhetsnivå fordonsmätar MCU-marknaden, med hög prestanda och hög tillförlitlighet, kan användas i BMS, ADAS, VCU, av -trådchassi, instrument, HUD, intelligent backspegel och andra centrala fordonskontrollfält.Mer än 100 kunder har antagit E3 för produktdesign, inklusive GAC, Geely, etc.
Tillämpning av inhemska kontroller kärnprodukter
Posttid: 2023-jul-19