Введение в микросхему класса управления
Микросхема управления в основном относится к микроконтроллеру (MCU), то есть к микроконтроллеру, также известному как однокристальный компонент, предназначенный для снижения тактовой частоты и технических характеристик процессора, а также для интеграции памяти, таймера, АЦП, тактового генератора, порта ввода-вывода, последовательной связи и других функциональных модулей и интерфейсов на одном кристалле. Реализуя функцию управления терминалом, он обладает такими преимуществами, как высокая производительность, низкое энергопотребление, программируемость и высокая гибкость.
Схема микроконтроллера уровня транспортного средства
Автомобильная промышленность является важной областью применения микроконтроллеров. По данным IC Insights, в 2019 году доля микроконтроллеров в автомобильной электронике в мире составила около 33%. Количество микроконтроллеров, используемых в каждом автомобиле в моделях премиум-класса, приближается к 100: от бортовых компьютеров, ЖК-дисплеев до двигателей, шасси и других крупных и мелких компонентов автомобиля, требующих управления микроконтроллерами.
На начальном этапе 8- и 16-разрядные микроконтроллеры (МКУ) использовались преимущественно в автомобилях, но с непрерывным развитием электроники и интеллектуальных систем автомобилей количество и качество требуемых МКУ также растёт. В настоящее время доля 32-разрядных МКУ в автомобильных МКУ достигла около 60%, причём ядро серии ARM Cortex, благодаря своей низкой стоимости и превосходному управлению питанием, является основным выбором производителей автомобильных микроконтроллеров.
К основным параметрам автомобильного микроконтроллера относятся рабочее напряжение, рабочая частота, объем флэш-памяти и оперативной памяти, модуль таймера и номер канала, модуль АЦП и номер канала, тип и номер последовательного интерфейса связи, номер входного и выходного порта ввода-вывода, рабочая температура, форма корпуса и уровень функциональной безопасности.
По разрядности процессора автомобильные микроконтроллеры можно разделить на 8-, 16- и 32-битные. С модернизацией технологического процесса стоимость 32-битных микроконтроллеров продолжает снижаться, и теперь они стали массовым явлением, постепенно вытесняя приложения и рынки, где ранее доминировали 8/16-битные микроконтроллеры.
Если рассматривать автомобильные микроконтроллеры по области применения, их можно разделить на следующие области: кузов, силовая часть, шасси, кабина и интеллектуальное вождение. Для областей кабины и интеллектуального вождения микроконтроллер должен обладать высокой вычислительной мощностью и высокоскоростными внешними интерфейсами связи, такими как CAN FD и Ethernet. Кузов также требует большого количества внешних интерфейсов связи, но требования к вычислительной мощности микроконтроллера относительно низкие, в то время как области питания и шасси требуют более высоких рабочих температур и уровней функциональной безопасности.
Чип управления доменом шасси
Область шасси связана с управлением транспортным средством и включает в себя трансмиссию, привод, рулевое управление и тормозную систему. Она состоит из пяти подсистем: рулевого управления, тормозной системы, системы переключения передач, дроссельной заслонки и подвески. С развитием автомобильного интеллекта распознавание восприятия, планирование решений и исполнение управления интеллектуальными транспортными средствами становятся основными системами области шасси. Рулевое управление по проводам и электронное управление являются основными компонентами исполнительной части автоматического вождения.
(1) Требования к работе
ЭБУ домена шасси использует высокопроизводительную масштабируемую платформу функциональной безопасности и поддерживает кластеризацию датчиков и многоосевые инерциальные датчики. Исходя из данного сценария применения, к микроконтроллеру домена шасси предъявляются следующие требования:
· Высокие требования к частоте и вычислительной мощности: основная частота не менее 200 МГц, а вычислительная мощность не менее 300DMIPS
· Объем флэш-памяти не менее 2 МБ, с физическими разделами Flash для кода и Flash для данных;
· Оперативная память не менее 512 Кб;
· Высокие требования к уровню функциональной безопасности, могут достигать уровня ASIL-D;
· Поддержка 12-битного АЦП;
· Поддержка 32-битного высокоточного таймера с высокой синхронизацией;
· Поддержка многоканального CAN-FD;
· Поддержка не менее 100M Ethernet;
· Надежность не ниже AEC-Q100 Grade1;
· Поддержка онлайн-обновления (OTA);
· Поддержка функции проверки прошивки (национальный секретный алгоритм);
(2) Требования к производительности
· Часть ядра:
I. Частота ядра: тактовая частота ядра, используемая для представления скорости генерации цифрового импульсного сигнала ядра. Основная частота не может напрямую отражать скорость вычислений ядра. Скорость работы ядра также связана с конвейером ядра, кэшем, набором инструкций и т. д.
II. Вычислительная мощность: для оценки обычно можно использовать показатель DMIPS. DMIPS — это единица измерения относительной производительности интегрированной тестовой программы микроконтроллера во время тестирования.
· Параметры памяти:
I. Кодовая память: память, используемая для хранения кода;
II. Память данных: память, используемая для хранения данных;
III.RAM: Память, используемая для хранения временных данных и кода.
· Автобусы связи: в том числе автомобильные специальные автобусы и обычные автобусы связи;
· Высокоточные периферийные устройства;
· Рабочая температура;
(3) Промышленная модель
Поскольку электрическая и электронная архитектура, используемая разными автопроизводителями, будет различаться, требования к компонентам для домена шасси будут различаться. Из-за разной конфигурации разных моделей одного и того же автозавода выбор ЭБУ области шасси будет разным. Эти различия приведут к разным требованиям к микроконтроллерам для домена шасси. Например, Honda Accord использует три микросхемы микроконтроллера домена шасси, а Audi Q7 использует около 11 микросхем микроконтроллера домена шасси. В 2021 году производство легковых автомобилей китайских марок составляет около 10 миллионов, из которых средний спрос на MCUS домена шасси велосипедов составляет 5, а общий рынок достиг около 50 миллионов. Основными поставщиками MCUS для домена шасси являются Infineon, NXP, Renesas, Microchip, TI и ST. На эти пять международных поставщиков полупроводников приходится более 99% рынка MCUS домена шасси.
(4) Отраслевые барьеры
С технической точки зрения, компоненты шасси, такие как EPS, EPB и ESC, тесно связаны с безопасностью жизни водителя, поэтому уровень функциональной безопасности микроконтроллеров шасси очень высок, в основном, соответствует требованиям уровня ASIL-D. В Китае этот уровень функциональной безопасности микроконтроллеров не применяется. Помимо уровня функциональной безопасности, сценарии применения компонентов шасси предъявляют очень высокие требования к частоте микроконтроллера, вычислительной мощности, объёму памяти, производительности и точности периферийных устройств, а также другим аспектам. Микроконтроллеры шасси создали очень высокий отраслевой барьер, который необходимо преодолеть отечественным производителям микроконтроллеров.
Что касается цепочки поставок, то из-за требований к высокой частоте и высокой вычислительной мощности для управляющего чипа компонентов шасси предъявляются относительно высокие требования к процессу и процессу производства пластин. В настоящее время, по-видимому, для удовлетворения требований к частоте микроконтроллера свыше 200 МГц требуется как минимум 55-нм техпроцесс. В связи с этим отечественная производственная линия микроконтроллеров не завершена и не достигла уровня массового производства. Международные производители полупроводников в основном приняли модель IDM, что касается литейных заводов по производству пластин, в настоящее время только TSMC, UMC и GF обладают соответствующими возможностями. Все отечественные производители микросхем являются компаниями без собственных производственных мощностей, и существуют проблемы и определенные риски в производстве пластин и обеспечении производительности.
В базовых вычислительных сценариях, таких как автономное вождение, традиционные универсальные процессоры сложно адаптировать к требованиям ИИ-вычислений из-за их низкой вычислительной эффективности. В то же время, такие ИИ-чипы, как графические процессоры (GPU), ПЛИС (FPGA) и микросхемы ASIC, обладают превосходной производительностью на периферии и в облаке, обладают своими собственными характеристиками и широко используются. С точки зрения технологических тенденций, в краткосрочной перспективе графические процессоры (GPU) по-прежнему будут доминирующим ИИ-чипом, а в долгосрочной — ASIC являются основным направлением. С точки зрения рыночных тенденций, глобальный спрос на ИИ-чипы сохранит высокие темпы роста, а облачные и периферийные чипы обладают большим потенциалом роста. Ожидается, что темпы роста рынка в ближайшие пять лет достигнут 50%. Несмотря на слабую основу отечественных технологий ИИ-приложений, быстрый рост спроса на ИИ-чипы создает возможности для развития технологий и возможностей местных производителей микросхем. Автономное вождение предъявляет строгие требования к вычислительной мощности, задержкам и надежности. В настоящее время в основном используются решения на базе графических процессоров и ПЛИС. Ожидается, что благодаря стабильности алгоритмов и управлению данными, АСИК будут завоевывать рыночное пространство.
Для предсказания ветвлений и оптимизации, сохранения различных состояний на кристалле процессора требуется много места, что сокращает задержку переключения задач. Это также делает его более подходящим для логического управления, последовательных операций и операций с данными общего типа. В качестве примера рассмотрим GPU и CPU: по сравнению с CPU, GPU использует большое количество вычислительных блоков и длинный конвейер, а также очень простую управляющую логику и не использует кэш. CPU не только занимает много места из-за кэша, но и имеет сложную управляющую логику и множество схем оптимизации, что составляет лишь малую часть вычислительной мощности.
Чип управления доменом питания
Контроллер домена питания — это интеллектуальное устройство управления силовой установкой. Он использует интерфейсы CAN/FLEXRAY для управления трансмиссией, аккумуляторными батареями, мониторинга и регулирования генератора. Он используется в основном для оптимизации и управления силовой установкой, а также для интеллектуальной диагностики неисправностей электрооборудования, интеллектуального энергосбережения, связи по шине и других функций.
(1) Требования к работе
Микроконтроллер управления доменом питания может поддерживать основные приложения в области электропитания, такие как BMS, с учетом следующих требований:
· Высокая основная частота, основная частота 600 МГц~800 МГц
· ОЗУ 4 МБ
· Высокие требования к уровню функциональной безопасности, могут достигать уровня ASIL-D;
· Поддержка многоканального CAN-FD;
· Поддержка 2G Ethernet;
· Надежность не ниже AEC-Q100 Grade1;
· Поддержка функции проверки прошивки (национальный секретный алгоритм);
(2) Требования к производительности
Высокая производительность: продукт объединяет двухъядерный процессор ARM Cortex R5 с блокировкой шага и 4 МБ на кристалле SRAM для поддержки растущих требований к вычислительной мощности и памяти автомобильных приложений. Процессор ARM Cortex-R5F с тактовой частотой до 800 МГц. Высокая безопасность: стандарт надежности транспортного средства AEC-Q100 достигает Grade 1, а уровень функциональной безопасности ISO26262 достигает ASIL D. Двухъядерный процессор с блокировкой шага может достигать 99% диагностического покрытия. Встроенный модуль информационной безопасности объединяет генератор случайных чисел, AES, RSA, ECC, SHA и аппаратные ускорители, которые соответствуют соответствующим стандартам государственной и деловой безопасности. Интеграция этих функций информационной безопасности может удовлетворить потребности таких приложений, как безопасный запуск, безопасная связь, безопасное обновление прошивки и модернизация.
Чип управления зоной тела
Кузов автомобиля в основном отвечает за управление различными его функциями. С развитием транспортных средств контроллеры кузова также становятся всё более востребованными. Для снижения стоимости контроллера и уменьшения веса автомобиля необходимо объединить все функциональные устройства передней, средней и задней частей автомобиля, такие как задний стоп-сигнал, габаритный фонарь, замок задней двери и даже двойная стойка, в единый контроллер.
Контроллер зоны кузова обычно объединяет функции BCM, PEPS, TPMS, Gateway и другие, но также может расширить возможности регулировки сидений, управления зеркалами заднего вида, управления кондиционером и другими функциями, обеспечивая комплексное и унифицированное управление каждым приводом, а также рациональное и эффективное распределение системных ресурсов. Функции контроллера зоны кузова многочисленны, как показано ниже, но не ограничиваются перечисленными здесь.
(1) Требования к работе
Основными требованиями автомобильной электроники к микроконтроллерам управления являются повышенная стабильность, надежность, безопасность, работа в режиме реального времени и другие технические характеристики, а также повышенная вычислительная производительность и емкость хранилища, а также сниженные требования к индексу энергопотребления. Контроллер кузова постепенно перешел от децентрализованного функционального развертывания к более крупному контроллеру, интегрирующему все основные приводы электроники кузова, ключевые функции, освещение, двери, окна и т. д. Конструкция системы управления кузовом включает в себя освещение, стеклоочистители, центральное управление дверными замками, окна и другие элементы управления, интеллектуальные ключи PEPS, управление питанием и т. д., а также шлюз CAN, расширяемые CANFD и FLEXRAY, сеть LIN, интерфейс Ethernet и технологии разработки и проектирования модулей.
В целом, требования к работе вышеупомянутых функций управления для основного чипа управления MCU в области кузова в основном отражаются в аспектах производительности вычислений и обработки, функциональной интеграции, интерфейса связи и надежности. С точки зрения конкретных требований, из-за функциональных различий в различных сценариях функционального применения в области кузова, таких как электрические стеклоподъемники, автоматические сиденья, электрическая дверь багажника и другие приложения кузова, по-прежнему существуют высокие потребности в управлении двигателем, такие приложения кузова требуют, чтобы MCU интегрировал электронный алгоритм управления FOC и другие функции. Кроме того, различные сценарии применения в области кузова предъявляют различные требования к конфигурации интерфейса чипа. Поэтому обычно необходимо выбирать MCU в области кузова в соответствии с функциональными и эксплуатационными требованиями конкретного сценария применения, и на этой основе всесторонне оценивать производительность стоимости продукта, возможность поставки и техническое обслуживание и другие факторы.
(2) Требования к производительности
Основные контрольные показатели микросхемы микроконтроллера управления зонами кузова следующие:
Производительность: ARM Cortex-M4F @ 144 МГц, 180DMIPS, встроенный кэш инструкций 8 КБ, поддержка ускорения Flash-модуля, выполнение программы 0 ожиданий.
Большая емкость зашифрованной памяти: до 512 Кбайт eFlash, поддержка зашифрованного хранения, управления разделами и защиты данных, поддержка проверки ECC, 100 000 циклов стирания, 10 лет хранения данных; 144 Кбайт SRAM, поддержка аппаратной четности.
Интегрированные интерфейсы связи: поддержка многоканальных интерфейсов GPIO, USART, UART, SPI, QSPI, I2C, SDIO, USB2.0, CAN 2.0B, EMAC, DVP и других.
Интегрированный высокопроизводительный симулятор: поддержка 12-битного высокоскоростного АЦП 5 Мвыб/с, независимого операционного усилителя с полным размахом сигнала, высокоскоростного аналогового компаратора, 12-битного ЦАП 1 Мвыб/с; поддержка внешнего независимого источника опорного напряжения, многоканальной емкостной сенсорной клавиши; высокоскоростной контроллер прямого доступа к памяти (DMA).
Поддержка внутреннего RC или внешнего входа кварцевого генератора, высокая надежность сброса.
Встроенные калибровочные часы реального времени RTC, поддержка вечного календаря високосных лет, событий будильника, периодического пробуждения.
Поддержка высокоточного счетчика времени.
Функции безопасности на аппаратном уровне: Аппаратное ускорение алгоритма шифрования, поддерживающее алгоритмы AES, DES, TDES, SHA1/224/256, SM1, SM3, SM4, SM7, MD5; Шифрование флэш-памяти, многопользовательское управление разделами (MMU), генератор случайных чисел TRNG, работа с CRC16/32; Поддержка защиты от записи (WRP), несколько уровней защиты от чтения (RDP) (L0/L1/L2); Поддержка безопасного запуска, загрузки шифрования программ, обновления безопасности.
Поддержка мониторинга сбоев часов и мониторинга противодействия сносу.
96-битный UID и 128-битный UCID.
Высоконадежная рабочая среда: 1,8 В ~ 3,6 В/-40℃ ~ 105℃.
(3) Промышленная модель
Электронная система области кузова находится на ранней стадии развития как для иностранных, так и для отечественных предприятий. Зарубежные предприятия, такие как BCM, PEPS, двери и окна, контроллеры сидений и другие однофункциональные продукты, имеют глубокое техническое накопление, в то время как крупные иностранные компании имеют широкий охват линеек продуктов, что закладывает основу для них для создания продуктов системной интеграции. Отечественные предприятия имеют определенные преимущества в применении кузова нового энергетического транспортного средства. Возьмем в качестве примера BYD, в новом энергетическом транспортном средстве BYD область кузова разделена на левую и правую области, а продукт системной интеграции перестроен и определен. Однако с точки зрения микросхем управления областью кузова, основным поставщиком микроконтроллеров по-прежнему являются Infineon, NXP, Renesas, Microchip, ST и другие международные производители микросхем, а отечественные производители микросхем в настоящее время имеют низкую долю рынка.
(4) Отраслевые барьеры
С точки зрения коммуникации, наблюдается процесс эволюции от традиционной архитектуры к гибридной архитектуре – конечной платформе бортового компьютера. Ключевыми факторами являются изменение скорости передачи данных, а также снижение стоимости базовой вычислительной мощности при высокой функциональной безопасности, что позволяет в будущем постепенно реализовать совместимость различных функций на электронном уровне базового контроллера. Например, контроллер кузова может интегрировать традиционные функции BCM, PEPS и функции защиты от защемления. Условно говоря, технические барьеры для микросхем управления кузовом ниже, чем для областей питания, кабины и т. д., и ожидается, что отечественные микросхемы возьмут на себя ведущую роль в достижении большого прорыва в области кузова и постепенной реализации отечественной замены. В последние годы отечественный рынок микроконтроллеров для передней и задней части кузова демонстрирует очень хорошую динамику развития.
Чип управления кабиной
Электрификация, интеллектуальность и сетевые технологии ускорили развитие автомобильной электронной и электрической архитектуры в направлении управления доменом, и кабина также быстро развивается от автомобильной аудио- и видеоразвлекательной системы до интеллектуальной кабины. Кабина представлена интерфейсом взаимодействия человек-компьютер, но будь то предыдущая информационно-развлекательная система или текущая интеллектуальная кабина, в дополнение к наличию мощного однокристального процессора с высокой вычислительной скоростью, ей также необходим микроконтроллер с высокой степенью реального времени для взаимодействия с данными с транспортным средством. Постепенная популяризация программно-определяемых транспортных средств, OTA и Autosar в интеллектуальной кабине делает требования к ресурсам микроконтроллера в кабине все более высокими. В частности, в растущем спросе на емкость FLASH и RAM, спрос на количество PIN-кодов также растет, более сложные функции требуют более мощных возможностей выполнения программ, но также имеют более богатый интерфейс шины.
(1) Требования к работе
Микроконтроллер в области салона в основном реализует управление питанием системы, управление временем включения питания, управление сетью, диагностику, взаимодействие с данными автомобиля, управление ключами, управление подсветкой, управление аудиомодулем DSP/FM, управление временем системы и другие функции.
Требования к ресурсам MCU:
· К основной частоте и вычислительной мощности предъявляются определенные требования: основная частота не менее 100 МГц, а вычислительная мощность не менее 200DMIPS;
· Объем флэш-памяти не менее 1 МБ, с физическими разделами Flash для кода и Flash для данных;
· Оперативная память не менее 128 Кб;
· Высокие требования к уровню функциональной безопасности, могут достигать уровня ASIL-B;
· Поддержка многоканального АЦП;
· Поддержка многоканального CAN-FD;
· Уровень правил для транспортных средств AEC-Q100 Уровень 1;
· Поддержка онлайн-обновления (OTA), поддержка Flash Dual Bank;
· Для поддержки безопасного запуска требуется механизм шифрования информации уровня SHE/HSM-light и выше;
· Количество ПИН-кодов не менее 100ПИН-кодов;
(2) Требования к производительности
IO поддерживает широкий диапазон напряжений питания (5,5 В~2,7 В), порт IO поддерживает использование повышенного напряжения;
Напряжение многих входных сигналов колеблется в зависимости от напряжения аккумуляторной батареи, что может привести к перенапряжению. Перенапряжение может повысить стабильность и надёжность системы.
Жизнь в памяти:
Жизненный цикл автомобиля составляет более 10 лет, поэтому хранилище программ микроконтроллера и хранилище данных должны иметь более длительный срок службы. Хранилище программ и хранилище данных должны иметь отдельные физические разделы, при этом хранилище программ требует меньшего количества стираний, поэтому срок службы >10 000 записей, в то время как хранилище данных требует большего количества стираний, поэтому срок службы должен быть больше. См. индикатор флэш-памяти данных: срок службы >100 000 записей, 15 лет (<1 000 записей), 10 лет (<100 000 записей).
Интерфейс коммуникационной шины;
Нагрузка на шину связи в транспортном средстве становится все выше и выше, поэтому традиционный CAN CAN больше не удовлетворяет требованиям связи, спрос на высокоскоростную шину CAN-FD растет и выше, поддержка CAN-FD постепенно стала стандартом MCU.
(3) Промышленная модель
В настоящее время доля отечественных микроконтроллеров для умных кабин всё ещё крайне мала, а основными поставщиками по-прежнему являются NXP, Renesas, Infineon, ST, Microchip и другие международные производители микроконтроллеров. Ряд отечественных производителей микроконтроллеров уже представлены на рынке, но динамика рынка пока неясна.
(4) Отраслевые барьеры
Уровень регулирования и функциональной безопасности интеллектуальной кабины автомобиля относительно невысок, главным образом благодаря накоплению опыта и необходимости постоянного совершенствования и итерации производства. В то же время, ввиду отсутствия большого количества линий по производству микроконтроллеров на отечественных заводах, процесс отстаёт от графика, и создание национальной цепочки поставок занимает время, что может привести к более высоким затратам и усилению конкуренции со стороны международных производителей.
Применение внутреннего чипа управления
Микросхемы управления автомобилем в основном основаны на микроконтроллерах (МК). Ведущие китайские компании, такие как Ziguang Guowei, Huada Semiconductor, Shanghai Xinti, Zhaoyi Innovation, Jiefa Technology, Xinchi Technology, Beijing Junzheng, Shenzhen Xihua, Shanghai Qipuwei, National Technology и др., выпускают микроконтроллеры автомобильного масштаба, являющиеся эталоном для зарубежных гигантов. В настоящее время они основаны на архитектуре ARM. Некоторые компании также проводят исследования и разработки архитектуры RISC-V.
В настоящее время отечественный чип домена управления транспортным средством в основном используется на рынке автомобильных загрузок с фронтальной загрузкой и применяется в кузове автомобиля и информационно-развлекательной системе, в то время как в области шасси, питания и других областях по-прежнему доминируют зарубежные гиганты чипов, такие как stmicroelectronics, NXP, Texas Instruments и Microchip Semiconductor, и лишь немногие отечественные предприятия реализовали приложения массового производства. В настоящее время отечественный производитель чипов Chipchi выпустит высокопроизводительные продукты серии E3 на основе ARM Cortex-R5F в апреле 2022 года с уровнем функциональной безопасности, достигающим ASIL D, температурным уровнем, поддерживающим AEC-Q100 Grade 1, частотой процессора до 800 МГц, с количеством ядер процессора до 6. Это самый производительный продукт среди существующих серийных микроконтроллеров для автомобильных датчиков, заполняющий нишу на отечественном рынке высококлассных микроконтроллеров для автомобильных датчиков с высоким уровнем безопасности. Он отличается высокой производительностью и надежностью и может использоваться в системах управления автомобилем (BMS), адаптивных рулевых колонках (ADAS), системах управления движением (VCU), системах управления шасси (by-wire), приборной панели, проекционном дисплее (HUD), интеллектуальных зеркалах заднего вида и других ключевых системах управления транспортными средствами. Более 100 клиентов, включая GAC, Geely и другие, используют E3 для разработки своих продуктов.
Применение отечественных контроллерных основных продуктов
Время публикации: 19 июля 2023 г.
