Введение чипа класса управления
Чип управления в основном относится к MCU (блоку микроконтроллера), то есть микроконтроллер, также известный как одиночный чип, предназначен для соответствующего снижения частоты процессора и его характеристик, а также памяти, таймера, аналого-цифрового преобразования, часов, I Порт /O, последовательная связь и другие функциональные модули и интерфейсы интегрированы в одном чипе. Реализуя функцию управления терминалом, он обладает такими преимуществами, как высокая производительность, низкое энергопотребление, программируемость и высокая гибкость.
Схема MCU уровня датчика автомобиля
Автомобильная промышленность является очень важной областью применения микроконтроллеров. По данным IC Insights, в 2019 году глобальное применение микроконтроллеров в автомобильной электронике составило около 33%. Количество MCUS, используемых каждым автомобилем в моделях высокого класса, приближается к 100: от управляющих компьютеров, ЖК-приборов до двигателей, шасси, больших и малых компонентов автомобиля, требующих управления MCU.
Раньше 8-битные и 16-битные MCUS в основном использовались в автомобилях, но с постоянным развитием электронизации и интеллекта автомобилей количество и качество требуемых MCUS также растут. В настоящее время доля 32-битных MCUS в автомобильных MCUS достигла около 60%, из которых ядро серии ARM Cortex из-за своей низкой стоимости и превосходного управления питанием является основным выбором производителей автомобильных MCU.
Основные параметры автомобильного MCU включают рабочее напряжение, рабочую частоту, емкость флэш-памяти и оперативной памяти, модуль таймера и номер канала, модуль АЦП и номер канала, тип и номер интерфейса последовательной связи, номер входного и выходного порта ввода-вывода, рабочую температуру, корпус. форма и уровень функциональной безопасности.
Автомобильный MCUS, разделенный по битам ЦП, можно в основном разделить на 8 бит, 16 бит и 32 бита. Благодаря обновлению процесса стоимость 32-битного MCUS продолжает падать, и теперь он стал основным направлением и постепенно заменяет приложения и рынки, на которых в прошлом доминировали 8/16-битные MCUS.
Если разделить автомобильный MCU в соответствии с областью применения, его можно разделить на домен кузова, домен мощности, домен шасси, домен кабины и домен интеллектуального вождения. Для области кабины и области интеллектуального привода MCU должен иметь высокую вычислительную мощность и высокоскоростные внешние интерфейсы связи, такие как CAN FD и Ethernet. Для кузова также требуется большое количество внешних коммуникационных интерфейсов, но требования к вычислительной мощности MCU относительно невелики, в то время как для силовой части и шасси требуются более высокие рабочие температуры и уровни функциональной безопасности.
Чип управления доменом шасси
Область шасси связана с вождением транспортного средства и состоит из системы трансмиссии, системы вождения, системы рулевого управления и тормозной системы. Он состоит из пяти подсистем, а именно рулевого управления, торможения, переключения передач, дроссельной заслонки и системы подвески. С развитием автомобильного интеллекта распознавание восприятия, планирование решений и управление исполнением интеллектуальных транспортных средств становятся основными системами в области шасси. Рулевое управление и электронное управление являются ключевыми компонентами исполнительной части автоматического вождения.
(1) Требования к работе
ЭБУ домена шасси использует высокопроизводительную масштабируемую платформу функциональной безопасности и поддерживает кластеризацию датчиков и многоосные инерциальные датчики. На основании этого сценария применения к MCU домена шасси предлагаются следующие требования:
· Требования к высокой частоте и высокой вычислительной мощности, основная частота не менее 200 МГц и вычислительная мощность не менее 300 DMIPS
· Объем флэш-памяти составляет не менее 2 МБ, с физическим разделом флэш-памяти кода и флэш-памяти;
· Оперативная память не менее 512Кб;
· Высокие требования к уровню функциональной безопасности, могут достигать уровня ASIL-D;
· Поддержка 12-битного АЦП точности;
· Поддержка 32-битного таймера высокой точности и высокой синхронизации;
· Поддержка многоканального CAN-FD;
· Поддержка не менее 100M Ethernet;
· Надежность не ниже AEC-Q100 Grade1;
· Поддержка онлайн-обновления (OTA);
· Поддержка функции проверки прошивки (алгоритм национальной секретности);
(2) Требования к производительности
· Часть ядра:
I. Частота ядра: то есть тактовая частота при работе ядра, которая используется для представления скорости колебания цифрового импульсного сигнала ядра, а основная частота не может напрямую представлять скорость вычислений ядра. Скорость работы ядра также связана с конвейером ядра, кешем, набором команд и т. д.
II. Вычислительная мощность: DMIPS обычно можно использовать для оценки. DMIPS — это единица измерения относительной производительности встроенной программы тестирования MCU во время ее тестирования.
· Параметры памяти:
I. Память кода: память, используемая для хранения кода;
II. Память данных: память, используемая для хранения данных;
III.RAM: Память, используемая для хранения временных данных и кода.
· Шина связи: включая автомобильный специальный автобус и обычную шину связи;
· Высокоточная периферия;
· Рабочая температура;
(3) Промышленный образец
Поскольку электрические и электронные архитектуры, используемые разными автопроизводителями, будут различаться, требования к компонентам шасси будут различаться. Из-за разной комплектации разных моделей одного и того же автозавода выбор ЭБУ области шасси будет разным. Эти различия приведут к различным требованиям к MCU для области шасси. Например, в Honda Accord используются три микросхемы MCU домена шасси, а в Audi Q7 — около 11 микросхем MCU домена шасси. В 2021 году производство легковых автомобилей китайской марки составит около 10 миллионов, из них средний спрос на велосипедные шасси домена MCUS составит 5, а общий объем рынка достигнет около 50 миллионов. Основными поставщиками MCUS в области шасси являются Infineon, NXP, Renesas, Microchip, TI и ST. На долю этих пяти международных поставщиков полупроводников приходится более 99% рынка шасси MCUS.
(4) Отраслевые барьеры
С ключевой технической точки зрения компоненты домена шасси, такие как EPS, EPB, ESC, тесно связаны с безопасностью жизни водителя, поэтому уровень функциональной безопасности MCU домена шасси очень высок, в основном ASIL-D. требования уровня. Этот уровень функциональной безопасности MCU в Китае отсутствует. Помимо уровня функциональной безопасности, сценарии применения компонентов шасси предъявляют очень высокие требования к частоте микроконтроллера, вычислительной мощности, объему памяти, производительности периферийных устройств, точности периферийных устройств и другим аспектам. Сфера шасси MCU сформировала очень высокий отраслевой барьер, который требует, чтобы отечественные производители MCU бросили вызов и сломали.
С точки зрения цепочки поставок, из-за требований к высокой частоте и высокой вычислительной мощности для управляющего чипа компонентов домена шасси, к процессу и процессу производства пластин выдвигаются относительно высокие требования. В настоящее время кажется, что для удовлетворения требований к частоте MCU выше 200 МГц требуется как минимум 55-нм техпроцесс. В этом отношении отечественная линия по производству микроконтроллеров не завершена и не достигла уровня массового производства. Международные производители полупроводников в основном приняли модель IDM, что касается предприятий по производству пластин, в настоящее время только TSMC, UMC и GF имеют соответствующие возможности. Все отечественные производители чипов — это компании Fabless, и в производстве пластин и обеспечении производительности существуют проблемы и определенные риски.
В сценариях основных вычислений, таких как автономное вождение, традиционные процессоры общего назначения трудно адаптировать к требованиям вычислений ИИ из-за их низкой вычислительной эффективности, а чипы ИИ, такие как Gpus, FPgas и ASics, имеют отличную производительность на периферии и в облаке с собственными характеристики и широко используются. С точки зрения технологических тенденций, графические процессоры по-прежнему будут доминирующим чипом искусственного интеллекта в краткосрочной перспективе, а в долгосрочной перспективе основным направлением станет ASIC. С точки зрения рыночных тенденций, мировой спрос на чипы искусственного интеллекта будет сохранять высокие темпы роста, а облачные и периферийные чипы имеют больший потенциал роста, а темпы роста рынка, как ожидается, в ближайшие пять лет составят около 50%. Несмотря на то, что основы отечественных технологий производства микросхем слабы, с быстрым внедрением приложений ИИ быстрый объем спроса на чипы ИИ создает возможности для роста технологий и возможностей местных предприятий по производству чипов. Автономное вождение предъявляет строгие требования к вычислительной мощности, задержке и надежности. В настоящее время в основном используются решения GPU+FPGA. Ожидается, что благодаря стабильности алгоритмов и управлению данными ASics завоюет рыночное пространство.
На чипе ЦП требуется много места для прогнозирования и оптимизации ветвей, сохранения различных состояний для уменьшения задержки переключения задач. Это также делает его более подходящим для логического управления, последовательной работы и операций с данными общего типа. Возьмем, к примеру, графический процессор и процессор. По сравнению с процессором, графический процессор использует большое количество вычислительных блоков и длинный конвейер, только очень простую логику управления и исключает кэш. ЦП не только занимает много места в кэше, но также имеет сложную логику управления и множество схем оптимизации, по сравнению с вычислительной мощностью лишь небольшую часть.
Чип управления силовым доменом
Контроллер домена питания — это интеллектуальный блок управления силовым агрегатом. С CAN/FLEXRAY для управления передачей, управления аккумулятором, мониторинга регулирования генератора, в основном используется для оптимизации и управления трансмиссией, а также для интеллектуальной диагностики неисправностей, интеллектуального энергосбережения, связи по шине и других функций.
(1) Требования к работе
MCU управления доменом питания может поддерживать основные приложения в сфере энергетики, такие как BMS, со следующими требованиями:
· Высокая основная частота, основная частота 600–800 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 (алгоритм национальной секретности);
(2) Требования к производительности
Высокая производительность: продукт объединяет двухъядерный процессор ARM Cortex R5 с синхронизацией и встроенную SRAM объемом 4 МБ для поддержки растущих требований к вычислительной мощности и памяти автомобильных приложений. Процессор ARM Cortex-R5F до 800 МГц. Высокая безопасность: стандарт надежности транспортных средств AEC-Q100 достигает класса 1, а уровень функциональной безопасности ISO26262 достигает ASIL D. Двухъядерный процессор с блокировкой шага обеспечивает диагностическое покрытие до 99%. Встроенный модуль информационной безопасности объединяет генератор случайных чисел, AES, RSA, ECC, SHA и аппаратные ускорители, соответствующие соответствующим стандартам государственной и бизнес-безопасности. Интеграция этих функций информационной безопасности может удовлетворить потребности таких приложений, как безопасный запуск, безопасная связь, безопасное обновление и обновление встроенного ПО.
Чип управления областью тела
Область тела в основном отвечает за контроль различных функций организма. С развитием транспортного средства контроллер области кузова также становится все больше и больше, чтобы снизить стоимость контроллера, уменьшить вес транспортного средства, необходимо интегрировать все функциональные устройства, начиная с передней части и до середины. часть автомобиля и задняя часть автомобиля, такая как задний стоп-сигнал, задний габаритный фонарь, замок задней двери и даже двойной стержень, унифицировали интеграцию в общий контроллер.
Контроллер области тела обычно объединяет BCM, PEPS, TPMS, шлюз и другие функции, но также может расширять регулировку сиденья, управление зеркалом заднего вида, управление кондиционером и другие функции, комплексное и унифицированное управление каждым приводом, разумное и эффективное распределение системных ресурсов. . Функции контроллера области тела многочисленны, как показано ниже, но не ограничиваются перечисленными здесь.
(1) Требования к работе
Основными требованиями автомобильной электроники к микросхемам управления MCU являются лучшая стабильность, надежность, безопасность, работа в режиме реального времени и другие технические характеристики, а также более высокая вычислительная производительность и емкость хранения, а также более низкие требования к индексу энергопотребления. Контроллер кузовного участка постепенно перешел от децентрализованного функционального развертывания к большому контроллеру, объединяющему все основные приводы кузовной электроники, ключевые функции, освещение, двери, окна и т. д. Конструкция системы управления кузовным оборудованием включает в себя освещение, омыватель стеклоочистителей, центральный управлять дверными замками, окнами и другими элементами управления, интеллектуальными ключами PEPS, управлением питанием и т. д. А также шлюз CAN, расширяемый 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 корпуса в основном отражаются на аспектах производительности вычислений и обработки, функциональной интеграции, интерфейса связи и надежности. Что касается конкретных требований, из-за функциональных различий в различных сценариях функционального применения в области кузова, таких как электрические стеклоподъемники, автоматические сиденья, электрическая задняя дверь и другие приложения кузова, все еще существуют потребности в высокоэффективном управлении двигателем, такие приложения кузова требуют MCU для интеграции алгоритма электронного управления FOC и других функций. Кроме того, разные сценарии применения в области корпуса предъявляют разные требования к конфигурации интерфейса чипа. Поэтому обычно необходимо выбрать MCU в области корпуса в соответствии с функциональными требованиями и требованиями к производительности конкретного сценария применения и на этой основе всесторонне измерить производительность стоимости продукта, возможности поставок, технического обслуживания и другие факторы.
(2) Требования к производительности
Основные эталонные показатели микросхемы MCU управления областью тела следующие:
Производительность: ARM Cortex-M4F @ 144 МГц, 180 DMIPS, встроенный кеш-кеш инструкций объемом 8 КБ, поддержка программы выполнения блока ускорения Flash 0, ожидание.
Зашифрованная память большой емкости: до 512 КБ eFlash, поддержка зашифрованного хранения, управление разделами и защита данных, поддержка проверки ECC, 100 000 раз стирания, 10 лет хранения данных; 144 КБ SRAM, поддерживающая аппаратную четность.
Интегрированные богатые коммуникационные интерфейсы: поддержка многоканальных GPIO, USART, UART, SPI, QSPI, I2C, SDIO, USB2.0, CAN 2.0B, EMAC, DVP и других интерфейсов.
Встроенный высокопроизводительный симулятор: поддержка 12-битного высокоскоростного АЦП со скоростью 5 Msps, независимого операционного усилителя от шины к рельсу, высокоскоростного аналогового компаратора, 12-битного ЦАП со скоростью 1 Msps; Поддержка внешнего входного независимого источника опорного напряжения, многоканальной емкостной сенсорной клавиши; Высокоскоростной контроллер DMA.
Поддержка внутреннего RC или внешнего кварцевого входа часов, высокая надежность сброса.
Встроенные калибровочные часы реального времени RTC, поддержка вечного календаря високосного года, тревожные события, периодическое пробуждение.
Поддержка высокоточного счетчика времени.
Функции безопасности на аппаратном уровне: Механизм аппаратного ускорения алгоритма шифрования, поддерживающий алгоритмы AES, DES, TDES, SHA1/224/256, SM1, SM3, SM4, SM7, MD5; Шифрование флэш-памяти, многопользовательское управление разделами (MMU), генератор истинных случайных чисел TRNG, операция CRC16/32; Поддержка защиты от записи (WRP), нескольких уровней защиты от чтения (RDP) (L0/L1/L2); Поддержка запуска системы безопасности, загрузки программ с шифрованием, обновлений безопасности.
Поддержка мониторинга сбоев часов и мониторинга защиты от сноса.
96-битный UID и 128-битный UCID.
Высоконадежная рабочая среда: 1,8 В ~ 3,6 В/-40 ℃ ~ 105 ℃.
(3) Промышленный образец
Электронная система кузова находится на ранней стадии развития как для иностранных, так и для отечественных предприятий. Иностранные предприятия, такие как BCM, PEPS, двери и окна, контроллеры сидений и другие однофункциональные продукты, имеют глубокие технические накопления, в то время как крупные иностранные компании имеют широкий охват линеек продуктов, что закладывает основу для производства продуктов системной интеграции. . Отечественные предприятия имеют определенные преимущества в применении кузовов транспортных средств на новой энергии. Возьмем, к примеру, BYD: в новом энергетическом автомобиле BYD область кузова разделена на левую и правую части, а продукт системной интеграции перестраивается и определяется. Однако, что касается чипов управления областью тела, основным поставщиком микроконтроллеров по-прежнему являются Infineon, NXP, Renesas, Microchip, ST и другие международные производители чипов, а отечественные производители чипов в настоящее время имеют низкую долю рынка.
(4) Отраслевые барьеры
С точки зрения коммуникации, происходит процесс эволюции традиционной архитектуры — гибридной архитектуры — окончательной автомобильной компьютерной платформы. Изменение скорости связи, а также снижение цены базовой вычислительной мощности при высокой функциональной безопасности является ключевым моментом, и в будущем можно постепенно реализовать совместимость различных функций на электронном уровне базового контроллера. Например, контроллер области тела может интегрировать традиционные функции BCM, PEPS и пульсацию защиты от защемления. Условно говоря, технические барьеры чипа управления областью тела ниже, чем область мощности, область кабины и т. д., и ожидается, что отечественные чипы возьмут на себя ведущую роль в большом прорыве в области тела и постепенно осуществят внутреннюю замену. В последние годы отечественный MCU на рынке передних и задних креплений кузова получил очень хорошую динамику развития.
Чип управления кабиной
Электрификация, интеллект и сетевые технологии ускорили развитие автомобильной электронной и электрической архитектуры в направлении управления доменом, а кабина также быстро развивается от автомобильной аудио- и видеоразвлекательной системы к интеллектуальной кабине. Кабина представлена интерфейсом взаимодействия человека с компьютером, но будь то предыдущая информационно-развлекательная система или текущая интеллектуальная кабина, помимо наличия мощного SOC со скоростью вычислений, ей также требуется MCU с высоким уровнем реального времени для работы с ней. взаимодействие данных с транспортным средством. Постепенная популяризация программно-определяемых транспортных средств, OTA и Autosar в интеллектуальной кабине делает требования к ресурсам MCU в кабине все более высокими. В частности, это отражается на растущем спросе на емкость флэш-памяти и оперативной памяти, а также на подсчете PIN-кодов. Более сложные функции требуют более мощных возможностей выполнения программ, но также имеют более богатый интерфейс шины.
(1) Требования к работе
MCU в зоне кабины в основном реализует управление питанием системы, управление временем включения, управление сетью, диагностику, взаимодействие с данными автомобиля, управление ключами, 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 составляет не менее 100 МГц, а вычислительная мощность - не менее 200 DMIPS;
· Объем флэш-памяти составляет не менее 1 МБ, с физическим разделом флэш-кода и флэш-памяти данных;
· Оперативная память не менее 128Кб;
· Высокие требования к уровню функциональной безопасности, могут достигать уровня ASIL-B;
· Поддержка многоканального АЦП;
· Поддержка многоканального CAN-FD;
· Правила транспортного средства Класс AEC-Q100 Класс 1;
· Поддержка онлайн-обновления (OTA), поддержка Flash Dual Bank;
· Для обеспечения безопасного запуска требуется механизм шифрования информации уровня SHE/HSM-light и выше;
· Количество контактов не менее 100PIN;
(2) Требования к производительности
IO поддерживает источник питания с широким диапазоном напряжения (5,5–2,7 В), порт IO поддерживает использование перенапряжения;
Многие входные сигналы колеблются в зависимости от напряжения аккумуляторной батареи, поэтому может возникнуть перенапряжение. Перенапряжение может повысить стабильность и надежность системы.
Срок службы памяти:
Жизненный цикл автомобиля составляет более 10 лет, поэтому хранилище программ и данных автомобильного MCU должно иметь более длительный срок службы. Хранилище программ и хранилище данных должны иметь отдельные физические разделы, а хранилище программ необходимо стирать меньше раз, поэтому долговечность> 10 КБ, в то время как хранилище данных необходимо стирать чаще, поэтому оно должно иметь большее количество раз стирания. . См. мигающий индикатор данных. Срок службы>100 КБ, 15 лет (<1 КБ). 10 лет (<100 тыс.).
Интерфейс коммуникационной шины;
Нагрузка на коммуникационную шину автомобиля становится все выше и выше, поэтому традиционный CAN CAN больше не удовлетворяет потребности в связи, потребность в высокоскоростной шине CAN-FD становится все выше и выше, поддержка CAN-FD постепенно становится стандартом MCU. .
(3) Промышленный образец
В настоящее время доля отечественных микроконтроллеров «умной кабины» по-прежнему очень низка, а основными поставщиками по-прежнему являются NXP, Renesas, Infineon, ST, Microchip и другие международные производители микроконтроллеров. Ряд отечественных производителей микроконтроллеров участвовали в макете, эффективность рынка еще предстоит увидеть.
(4) Отраслевые барьеры
Уровень интеллектуального регулирования кабины и уровень функциональной безопасности относительно не слишком высоки, главным образом из-за накопления ноу-хау и необходимости постоянной итерации и совершенствования продукта. В то же время, поскольку на отечественных заводах не так много линий по производству микроконтроллеров, этот процесс является относительно отсталым, и для достижения национальной производственной цепочки поставок требуется определенный период времени, и могут быть более высокие затраты, а также давление конкуренции с международных производителей больше.
Применение внутреннего чипа управления
Чипы управления автомобилем в основном основаны на автомобильных микроконтроллерах, ведущие отечественные предприятия, такие как Ziguang Guowei, Huada Semiconductor, Shanghai Xinti, Zhaoyi Innovation, Jiefa Technology, Xinchi Technology, Beijing Junzheng, Shenzhen Xihua, Shanghai Qipuwei, National Technology и т. д., все имеют Последовательности продуктов MCU автомобильного масштаба, эталонные зарубежные гигантские продукты, в настоящее время основанные на архитектуре ARM. Некоторые предприятия также провели исследования и разработки архитектуры RISC-V.
В настоящее время отечественный чип домена управления транспортным средством в основном используется на автомобильном рынке с фронтальной загрузкой и применяется на автомобиле в области кузова и информационно-развлекательной области, в то время как в области шасси, силовой части и других областях по-прежнему доминируют зарубежные гиганты производства микросхем, такие как stmicroelectronics, NXP, Texas Instruments и Microchip Semiconductor, и лишь несколько отечественных предприятий реализовали приложения для массового производства. В настоящее время отечественный производитель чипов Chipchi в апреле 2022 года выпустит продукты серии высокопроизводительных управляющих микросхем E3 на базе ARM Cortex-R5F, уровень функциональной безопасности которых достигнет ASIL D, уровень температуры поддерживает AEC-Q100 Grade 1, частота процессора до 800 МГц. , до 6 ядер ЦП. Это продукт с высочайшими характеристиками среди существующих MCU для датчиков транспортных средств массового производства, заполняющий пробел на отечественном рынке MCU для датчиков транспортных средств высокого уровня с высоким уровнем безопасности, с высокой производительностью и высокой надежностью, может использоваться в BMS, ADAS, VCU, -Проводное шасси, прибор, HUD, интеллектуальное зеркало заднего вида и другие основные поля управления автомобилем. Более 100 клиентов приняли E3 для разработки продуктов, включая GAC, Geely и т. д.
Применение основных продуктов отечественного контроллера
Время публикации: 19 июля 2023 г.
