Введення мікросхеми класу керування
Керуючий чіп в основному відноситься до MCU (блоку мікроконтролера), тобто мікроконтролер, також відомий як єдиний чіп, призначений для належного зменшення частоти процесора та специфікацій, а також пам’яті, таймера, аналого-цифрового перетворення, годинника, I /O порт і послідовний зв'язок та інші функціональні модулі та інтерфейси, інтегровані на одному чіпі.Реалізуючи функцію керування терміналом, він має такі переваги, як висока продуктивність, низьке енергоспоживання, програмованість і висока гнучкість.
Діаграма MCU рівня габаритів автомобіля
Автомобільна промисловість є дуже важливою сферою застосування MCU, згідно з даними IC Insights, у 2019 році глобальне застосування MCU в автомобільній електроніці становило близько 33%.Кількість MCUS, які використовуються в кожному автомобілі в моделях високого класу, наближається до 100, від керуючих комп’ютерів, РК-інструментів до двигунів, шасі, великих і малих компонентів автомобіля, які потребують керування MCU.
Спочатку 8- і 16-бітні MCUS в основному використовувалися в автомобілях, але з постійним удосконаленням автомобільної електроніки та інтелекту кількість і якість необхідних MCUS також зростає.В даний час частка 32-розрядних MCUS в автомобільних MCUS сягнула приблизно 60%, з яких ядро серії Cortex ARM, завдяки своїй низькій вартості та відмінному контролю живлення, є основним вибором виробників автомобільних MCU.
Основні параметри автомобільного MCU включають робочу напругу, робочу частоту, ємність флеш-пам’яті та оперативної пам’яті, модуль таймера та номер каналу, модуль і номер каналу АЦП, тип і номер інтерфейсу послідовного зв’язку, номер порту введення та виведення, робочу температуру, пакет форма та рівень функціональної безпеки.
Автомобільний MCUS, розділений за бітами процесора, можна розділити на 8, 16 і 32 біти.З оновленням процесу вартість 32-розрядного MCUS продовжує падати, і тепер він став основним, і поступово замінює програми та ринки, де в минулому домінував 8/16-розрядний MCUS.
Якщо розділити відповідно до сфери застосування, автомобільний MCU можна розділити на домен кузова, домен силового керування, домен шасі, домен кабіни та домен інтелектуального водіння.Для домену кабіни та інтелектуального приводу MCU повинен мати високу обчислювальну потужність і високошвидкісні зовнішні інтерфейси зв’язку, такі як CAN FD та Ethernet.Домен корпусу також вимагає великої кількості зовнішніх комунікаційних інтерфейсів, але вимоги до обчислювальної потужності MCU є відносно низькими, тоді як домен живлення та домен шасі вимагають вищих робочих температур і рівнів функціональної безпеки.
Чіп керування доменом шасі
Область шасі пов’язана з керуванням транспортним засобом і складається з системи трансмісії, системи водіння, системи рульового керування та гальмівної системи.Він складається з п’яти підсистем, а саме системи рульового керування, гальмування, перемикання передач, дросельної заслінки та системи підвіски.З розвитком автомобільного інтелекту розпізнавання сприйняття, планування рішень і виконання керування інтелектуальними автомобілями є основними системами домену шасі.Рульове керування за допомогою проводів і керування за допомогою проводів є основними компонентами виконавчої частини автоматичного керування.
(1) Вимоги до роботи
ЕБУ домену шасі використовує високоефективну, масштабовану функціональну платформу безпеки та підтримує кластеризацію датчиків і багатоосьові інерційні датчики.Виходячи з цього сценарію застосування, для MCU домену шасі пропонуються такі вимоги:
· Вимоги до високої частоти та високої обчислювальної потужності, основна частота не менше 200 МГц, а обчислювальна потужність не менше 300 DMIPS
· Обсяг флеш-пам'яті не менше 2 МБ, з фізичним розділом Flash коду та даних Flash;
· оперативна пам'ять не менше 512KB;
· Високі вимоги до рівня функціональної безпеки, можуть досягати рівня ASIL-D;
· Підтримка 12-розрядного прецизійного АЦП;
· Підтримка 32-розрядного таймера високої точності та високої синхронізації;
· Підтримка багатоканального CAN-FD;
· Підтримка не менше 100M Ethernet;
· Надійність не нижче AEC-Q100 Grade1;
· Підтримка он-лайн оновлення (OTA);
· Підтримка функції перевірки прошивки (алгоритм національної таємниці);
(2) Вимоги до продуктивності
· Частина ядра:
I. Частота ядра: тобто тактова частота під час роботи ядра, яка використовується для представлення швидкості коливань цифрового імпульсного сигналу ядра, а основна частота не може безпосередньо представляти швидкість обчислення ядра.Швидкість роботи ядра також залежить від конвеєра ядра, кешу, набору інструкцій тощо.
II.Обчислювальна потужність: DMIPS зазвичай можна використовувати для оцінки.DMIPS — це одиниця, яка вимірює відносну продуктивність інтегрованої тестової програми MCU під час її тестування.
· Параметри пам'яті:
I. Пам'ять коду: пам'ять, що використовується для зберігання коду;
II.Пам'ять даних: пам'ять, що використовується для зберігання даних;
III.RAM: пам'ять, яка використовується для зберігання тимчасових даних і коду.
· Автобус зв'язку: включаючи автомобільний спеціальний автобус і звичайний автобус зв'язку;
· Високоточна периферія;
· Робоча температура;
(3) Промисловий зразок
Оскільки електрична та електронна архітектура, що використовується різними автовиробниками, відрізнятиметься, вимоги до компонентів для домену шасі будуть різними.Через різну конфігурацію різних моделей одного автозаводу вибір ECU області шасі буде різним.Ці відмінності призведуть до різних вимог до MCU для домену шасі.Наприклад, Honda Accord використовує три мікросхеми MCU домену шасі, а Audi Q7 використовує близько 11 мікросхем MCU домену шасі.У 2021 році виробництво легкових автомобілів китайської марки становить близько 10 мільйонів, з яких середній попит на велосипедне шасі домену MCUS становить 5, а загальний ринок досяг близько 50 мільйонів.Основними постачальниками MCUS у всьому домені шасі є Infineon, NXP, Renesas, Microchip, TI і ST.На ці п’ять міжнародних постачальників напівпровідників припадає понад 99% ринку домену шасі MCUS.
(4) Галузеві бар'єри
З ключової технічної точки зору компоненти домену шасі, такі як EPS, EPB, ESC, тісно пов’язані з безпекою життя водія, тому рівень функціональної безпеки домену шасі MCU дуже високий, в основному ASIL-D вимоги до рівня.У Китаї цей рівень функціональної безпеки MCU порожній.Окрім рівня функціональної безпеки, сценарії застосування компонентів шасі мають дуже високі вимоги до частоти MCU, обчислювальної потужності, ємності пам’яті, периферійної продуктивності, периферійної точності та інших аспектів.Домен шасі MCU сформував дуже високий промисловий бар’єр, який потребує вітчизняних виробників MCU, щоб кинути виклик і подолати.
З точки зору ланцюга поставок, через вимоги високої частоти та високої обчислювальної потужності для мікросхеми керування компонентами домену шасі висуваються відносно високі вимоги до процесу та процесу виробництва пластин.Наразі здається, що для задоволення вимог MCU до частоти вище 200 МГц необхідний принаймні 55-нм техпроцес.У цьому відношенні вітчизняна виробнича лінія MCU не завершена і не досягла рівня масового виробництва.Міжнародні виробники напівпровідників в основному прийняли модель IDM, з точки зору виробництва пластин, наразі лише TSMC, UMC і GF мають відповідні можливості.Усі вітчизняні виробники чіпів — це компанії Fabless, тому у виробництві пластин і забезпеченні потужності є проблеми та певні ризики.
У базових обчислювальних сценаріях, таких як автономне водіння, традиційні центральні процесори загального призначення важко адаптувати до вимог обчислень ШІ через їх низьку обчислювальну ефективність, а мікросхеми ШІ, такі як Gpus, FPgas і ASics, мають чудову продуктивність на периферії та в хмарі з власними характеристики і широко використовуються.З точки зору технологічних тенденцій, GPU все ще залишатиметься домінуючим чіпом AI у короткостроковій перспективі, а в довгостроковій перспективі ASIC є основним напрямком.З точки зору ринкових тенденцій, глобальний попит на мікросхеми штучного інтелекту зберігатиме швидкий темп зростання, а хмарні та периферійні мікросхеми мають більший потенціал зростання, і очікується, що темпи зростання ринку становитимуть близько 50% у наступні п’ять років.Незважаючи на те, що фундамент внутрішньої технології чіпів є слабким, у зв’язку зі швидким розповсюдженням додатків штучного інтелекту швидкий обсяг попиту на чіпи штучного інтелекту створює можливості для розвитку технологій і можливостей місцевих підприємств виробництва мікросхем.Автономне водіння має суворі вимоги до обчислювальної потужності, затримки та надійності.В даний час в основному використовуються рішення GPU+FPGA.Очікується, що завдяки стабільності алгоритмів і керованості даними ASics завоюють ринковий простір.
На чіпі процесора потрібно багато місця для передбачення та оптимізації розгалужень, збереження різних станів для зменшення затримки перемикання завдань.Це також робить його більш придатним для логічного керування, послідовної роботи та роботи з даними загального типу.Візьмемо GPU та CPU як приклад. Порівняно з CPU, GPU використовує велику кількість обчислювальних одиниць і довгий конвеєр, лише дуже просту логіку керування та усунення кешу.Центральний процесор не тільки займає багато місця в кеші, але також має складну логіку керування та багато схем оптимізації, у порівнянні з обчислювальною потужністю це лише мала частина.
Мікросхема управління доменом живлення
Контролер домену живлення – це інтелектуальний блок керування трансмісією.За допомогою CAN/FLEXRAY для досягнення керування трансмісією, керування батареєю, моніторингу регулювання генератора змінного струму, що в основному використовується для оптимізації та контролю трансмісії, в той час як електрична інтелектуальна діагностика несправностей інтелектуальне енергозбереження, шинний зв’язок та інші функції.
(1) Вимоги до роботи
MCU управління доменом живлення може підтримувати основні додатки в енергетиці, такі як BMS, з такими вимогами:
· Висока основна частота, основна частота 600 ~ 800 МГц
· Оперативна пам'ять 4 Мб
· Високі вимоги до рівня функціональної безпеки, можуть досягати рівня ASIL-D;
· Підтримка багатоканального CAN-FD;
· Підтримка 2G Ethernet;
· Надійність не нижче AEC-Q100 Grade1;
· Підтримка функції перевірки прошивки (алгоритм національної таємниці);
(2) Вимоги до продуктивності
Висока продуктивність: продукт інтегрує двоядерний центральний процесор ARM Cortex R5 і 4 МБ вбудованої пам’яті SRAM для підтримки зростаючих вимог до обчислювальної потужності та пам’яті для автомобільних програм.Процесор ARM Cortex-R5F до 800 МГц.Високий рівень безпеки: стандарт надійності транспортного засобу AEC-Q100 досягає рівня 1, а рівень функціональної безпеки ISO26262 досягає ASIL D. Двоядерний ЦП блокування кроку може досягати до 99% діагностичного покриття.Вбудований модуль захисту інформації інтегрує справжній генератор випадкових чисел, AES, RSA, ECC, SHA та апаратні прискорювачі, які відповідають відповідним стандартам безпеки держави та бізнесу.Інтеграція цих функцій захисту інформації може задовольнити потреби таких додатків, як безпечний запуск, безпечний зв’язок, безпечне оновлення та оновлення мікропрограми.
Мікросхема контролю площі тіла
Ділянка тіла в основному відповідає за контроль різних функцій організму.З розвитком транспортного засобу, контролера площі кузова також стає все більше і більше, щоб зменшити вартість контролера, зменшити вагу автомобіля, інтеграція потребує розміщення всіх функціональних пристроїв, від передньої частини, середньої частини частини автомобіля та задньої частини автомобіля, як-от задній стоп-сигнал, задні габаритні ліхтарі, замок задніх дверей і навіть подвійна стійка, уніфікована інтеграція в загальний контролер.
Контролер зони тіла загалом інтегрує BCM, PEPS, TPMS, Gateway та інші функції, але також може розширити регулювання сидіння, керування дзеркалами заднього виду, керування кондиціонуванням повітря та інші функції, комплексне та уніфіковане керування кожним приводом, розумний та ефективний розподіл системних ресурсів .Функції контролера площі тіла численні, як показано нижче, але не обмежуються переліченими тут.
(1) Вимоги до роботи
Основними вимогами автомобільної електроніки до чіпів керування MCU є краща стабільність, надійність, безпека, робота в режимі реального часу та інші технічні характеристики, а також більш висока обчислювальна продуктивність і ємність зберігання, а також нижчі вимоги до індексу енергоспоживання.Контролер зони кузова поступово перейшов від децентралізованого функціонального розгортання до великого контролера, який об’єднує всі основні приводи електроніки кузова, ключові функції, освітлення, двері, вікна тощо. Конструкція системи керування зоною кузова об’єднує освітлення, омивання склоочисників, центральний керування дверними замками, вікнами та іншими елементами керування, інтелектуальними ключами PEPS, керування живленням тощо. А також шлюз CAN, розширювані CANFD і FLEXRAY, мережа LIN, інтерфейс Ethernet і технологія розробки та проектування модулів.
Загалом робочі вимоги до вищезазначених функцій керування для головного чіпа керування MCU у зоні корпусу в основному відображені в аспектах продуктивності обчислення та обробки, функціональної інтеграції, інтерфейсу зв’язку та надійності.З точки зору конкретних вимог, через функціональні відмінності в різних функціональних сценаріях застосування в області кузова, таких як електросклопідйомники, автоматичні сидіння, електричні двері багажника та інші додатки для кузова, все ще існують потреби високоефективного керування двигуном, такі додатки для кузова вимагають MCU для інтеграції електронного алгоритму керування FOC та інших функцій.Крім того, різні сценарії застосування в області корпусу мають різні вимоги до конфігурації інтерфейсу чіпа.Таким чином, зазвичай необхідно вибрати MCU області корпусу відповідно до функціональних вимог і вимог до продуктивності конкретного сценарію застосування, і на цій основі всебічно виміряти ефективність вартості продукту, можливості постачання та технічного обслуговування та інші фактори.
(2) Вимоги до продуктивності
Основні еталонні індикатори чіпа MCU контролю області тіла наступні:
Продуктивність: ARM Cortex-M4F@ 144 МГц, 180 DMIPS, вбудований кеш-пам’ять інструкцій 8 КБ, підтримка блоку прискорення флеш-пам’яті виконання програми 0 очікування.
Зашифрована пам'ять великої ємності: до 512 КБ eFlash, підтримка зашифрованого зберігання, керування розділами та захисту даних, підтримка перевірки ECC, 100 000 разів стирання, 10 років зберігання даних;144 Кбайт SRAM, підтримка паритету апаратного забезпечення.
Інтегровані розширені комунікаційні інтерфейси: підтримка багатоканальних GPIO, USART, UART, SPI, QSPI, I2C, SDIO, USB2.0, CAN 2.0B, EMAC, DVP та інших інтерфейсів.
Вбудований високопродуктивний симулятор: підтримка високошвидкісного АЦП 12 біт 5 Мс/с, незалежний операційний підсилювач між рейками, високошвидкісний аналоговий компаратор, ЦАП 12 біт 1 Мс/с;Підтримка зовнішнього вхідного незалежного джерела опорної напруги, багатоканальної ємнісної сенсорної клавіші;Високошвидкісний контролер DMA.
Підтримка внутрішнього RC або зовнішнього кристалічного годинника, скидання високої надійності.
Вбудований годинник реального часу для калібрування RTC, підтримка вічного календаря високосного року, події будильника, періодичне пробудження.
Підтримка високоточного лічильника часу.
Функції безпеки на апаратному рівні: механізм апаратного прискорення алгоритму шифрування, що підтримує алгоритми AES, DES, TDES, SHA1/224/256, SM1, SM3, SM4, SM7, MD5;Шифрування флеш-пам’яті, керування багатокористувацькими розділами (MMU), справжній генератор випадкових чисел TRNG, робота CRC16/32;Підтримка рівнів захисту від запису (WRP), захисту від багаторазового читання (RDP) (L0/L1/L2);Підтримка безпечного запуску, завантаження програми шифрування, оновлення безпеки.
Підтримка моніторингу збою годинника та моніторингу проти знесення.
96-бітний UID і 128-бітний UCID.
Надійне робоче середовище: 1,8 В ~ 3,6 В/-40 ℃ ~ 105 ℃.
(3) Промисловий зразок
Електронна система області тіла знаходиться на ранній стадії зростання як для іноземних, так і для вітчизняних підприємств.Іноземні підприємства, такі як BCM, PEPS, двері та вікна, контролери сидінь та інші однофункціональні продукти, мають глибокий технічний досвід, у той час як великі іноземні компанії мають широке охоплення продуктових ліній, закладаючи основу для створення системної інтеграції. .Вітчизняні підприємства мають певні переваги у застосуванні нових енергокузовів.Візьмемо як приклад BYD: у новому енергетичному транспортному засобі BYD область кузова поділена на ліву та праву зони, а продукт системної інтеграції змінено та визначено.Однак, з точки зору чіпів контролю площі корпусу, основним постачальником мікросхем є Infineon, NXP, Renesas, Microchip, ST та інші міжнародні виробники чіпів, а вітчизняні виробники чіпів наразі мають низьку частку ринку.
(4) Галузеві бар'єри
З точки зору зв’язку, існує процес еволюції традиційної архітектури – гібридної архітектури – остаточної комп’ютерної платформи автомобіля.Зміна швидкості зв’язку, а також зниження ціни базової обчислювальної потужності з високою функціональною безпекою є ключовим, і в майбутньому можна поступово реалізувати сумісність різних функцій на електронному рівні базового контролера.Наприклад, контролер зони тіла може інтегрувати традиційні функції BCM, PEPS і функції захисту від защемлення.Відносно кажучи, технічні бар’єри мікросхеми керування зоною кузова нижчі, ніж зона потужності, зона кабіни тощо, і очікується, що вітчизняні мікросхеми візьмуть на себе провідну роль у здійсненні великого прориву в області кузова та поступово здійснять домашню заміну.В останні роки вітчизняний ринок мікроконтролерів переднього та заднього монтажу в області кузова мав дуже хороший імпульс розвитку.
Мікросхема керування кабіною
Електрифікація, інтелект і мережеві зв’язки прискорили розвиток автомобільної електронної та електричної архітектури в напрямку управління доменом, і кабіна також швидко розвивається від аудіо- та відеорозважальної системи автомобіля до інтелектуальної кабіни.Кабіна оснащена інтерфейсом взаємодії між людиною та комп’ютером, але незалежно від того, чи це попередня інформаційно-розважальна система, чи поточна інтелектуальна кабіна, окрім потужного SOC із швидкістю обчислення, їй також потрібен мікроконтролер у режимі реального часу для роботи з ними. взаємодія даних з транспортним засобом.Поступова популярність програмно-визначених транспортних засобів, OTA та Autosar в інтелектуальній кабіні підвищує вимоги до ресурсів MCU в кабіні.Зокрема, зростає попит на ємність флеш-пам’яті та оперативної пам’яті, попит на підрахунок PIN-коду також зростає, більш складні функції вимагають потужніших можливостей виконання програм, але також мають розширеніший інтерфейс шини.
(1) Вимоги до роботи
MCU в зоні кабіни в основному реалізує керування живленням системи, керування часом увімкнення живлення, керування мережею, діагностику, взаємодію з даними транспортного засобу, ключ, керування підсвічуванням, керування аудіо DSP/FM-модулем, керування системним часом та інші функції.
Вимоги до ресурсів MCU:
· Основна частота та обчислювальна потужність мають певні вимоги, основна частота не менше 100 МГц, а обчислювальна потужність не менше 200 DMIPS;
· Об'єм флеш-пам'яті не менше 1 МБ, з фізичним розділом Flash коду та даних Flash;
· оперативна пам'ять не менше 128KB;
· Високі вимоги до рівня функціональної безпеки, можуть досягати рівня ASIL-B;
· Підтримка багатоканального АЦП;
· Підтримка багатоканального CAN-FD;
· Клас регулювання транспортних засобів AEC-Q100 Grade1;
· Підтримка онлайн-оновлення (OTA), підтримка Flash dual Bank;
· Для підтримки безпечного запуску необхідний механізм шифрування інформації рівня SHE/HSM і вище;
· кількість PIN-кодів не менше 100 PIN;
(2) Вимоги до продуктивності
IO підтримує широке джерело живлення (5,5 В ~ 2,7 В), порт IO підтримує використання перенапруги;
Багато вхідних сигналів коливаються відповідно до напруги батареї джерела живлення, і може виникнути перенапруга.Перенапруга може підвищити стабільність і надійність системи.
Тривалість пам'яті:
Життєвий цикл автомобіля становить понад 10 років, тому зберігання програм і даних автомобільного мікроконтролера повинно мати довший термін служби.Сховище програм і сховище даних повинні мати окремі фізичні розділи, і сховище програм потрібно стирати менше разів, тому витривалість>10K, тоді як сховище даних потрібно стирати частіше, тому воно має мати більшу кількість разів стирання .Зверніться до індикатора спалаху даних Витривалість>100K, 15 років (<1K).10 років (<100K).
Інтерфейс комунікаційної шини;
Комунікаційне навантаження на шину транспортного засобу стає все вищим і вищим, тому традиційний CAN CAN більше не задовольняє попит на зв’язок, попит на високошвидкісну шину CAN-FD стає все вищим і вищим, підтримка CAN-FD поступово стає стандартом MCU .
(3) Промисловий зразок
Наразі частка внутрішніх інтелектуальних мікроконтролерів у салоні все ще дуже низька, і основними постачальниками все ще є NXP, Renesas, Infineon, ST, Microchip та інші міжнародні виробники мікроконтролерів.Ряд вітчизняних виробників MCU були в макеті, показники ринку ще належить побачити.
(4) Галузеві бар'єри
Рівень інтелектуального регулювання салону автомобіля та рівень функціональної безпеки відносно не надто високий, головним чином через накопичення ноу-хау та потребу в безперервній ітерації та вдосконаленні продукту.У той же час, оскільки на вітчизняних фабриках не так багато виробничих ліній MCU, процес є відносно відсталим, і потрібен певний період часу, щоб досягти національного виробничого ланцюга постачання, і можуть бути вищі витрати та тиск конкуренції з боку міжнародних виробників більше.
Застосування мікросхеми побутового контролю
Мікросхеми керування автомобілями в основному базуються на автомобільних MCU, провідних вітчизняних підприємствах, таких як Ziguang Guowei, Huada Semiconductor, Shanghai Xinti, Zhaoyi Innovation, Jiefa Technology, Xinchi Technology, Beijing Junzheng, Shenzhen Xihua, Shanghai Qipuwei, National Technology тощо. Послідовності продуктів MCU для автомобільного масштабу, еталонні продукти зарубіжних гігантів, які наразі базуються на архітектурі ARM.Деякі підприємства також проводили дослідження та розробки архітектури RISC-V.
В даний час чіп домену керування внутрішнім транспортним засобом в основному використовується на ринку автомобільної техніки з переднім завантаженням і застосовувався на автомобілях у сфері кузова та інформаційно-розважальній сфері, тоді як у шасі, домені потужності та інших сферах він все ще домінує. закордонні гіганти чіпів, такі як stmicroelectronics, NXP, Texas Instruments і Microchip Semiconductor, і лише кілька вітчизняних підприємств реалізували програми масового виробництва.Наразі вітчизняний виробник мікросхем Chipchi у квітні 2022 року випустить високопродуктивні мікросхеми управління серії E3 на базі ARM Cortex-R5F з рівнем функціональної безпеки, що досягає ASIL D, температурним рівнем, що підтримує AEC-Q100 Grade 1, частотою процесора до 800 МГц. , до 6 ядер ЦП.Це продукт найвищої продуктивності в існуючому масовому виробництві вимірювальних приладів для транспортних засобів MCU, який заповнює прогалину на вітчизняному ринку високоякісних вимірювальних приладів для транспортних засобів високого рівня безпеки, з високою продуктивністю та високою надійністю, може використовуватися в BMS, ADAS, VCU, -дротяне шасі, прилади, HUD, інтелектуальне дзеркало заднього виду та інші основні поля керування автомобілем.Понад 100 клієнтів прийняли E3 для розробки продукту, включаючи GAC, Geely тощо.
Застосування основних продуктів вітчизняного контролера
Час публікації: 19 липня 2023 р