Introduktion til kontrolklassechip
Kontrolchippen refererer primært til MCU (Microcontroller Unit), det vil sige, at mikrocontrolleren, også kendt som single-chip, har til formål at reducere CPU-frekvensen og specifikationerne tilsvarende, og hukommelse, timer, A/D-konvertering, ur, I/O-port og seriel kommunikation og andre funktionelle moduler og grænseflader er integreret på en enkelt chip. Ved at realisere terminalstyringsfunktionen har den fordelene ved høj ydeevne, lavt strømforbrug, programmerbarhed og høj fleksibilitet.
MCU-diagram over køretøjets målerniveau
Bilindustrien er et meget vigtigt anvendelsesområde for MCU. Ifølge data fra IC Insights tegnede den globale MCU-anvendelse inden for bilelektronik sig i 2019 for omkring 33 %. Antallet af MCUS'er, der anvendes af hver bil i high-end-modeller, er tæt på 100, lige fra kørecomputere og LCD-instrumenter til motorer, chassis og store og små komponenter i bilen, der kræver MCU-styring.
I de tidlige dage blev 8-bit og 16-bit MCUS primært brugt i biler, men med den kontinuerlige forbedring af bilelektronisering og -intelligens stiger antallet og kvaliteten af MCUS, der kræves, også. I øjeblikket har andelen af 32-bit MCUS i bil-MCUS nået omkring 60%, hvoraf ARM's Cortex-seriekerne, på grund af dens lave omkostninger og fremragende strømstyring, er det almindelige valg blandt bil-MCU-producenter.
De vigtigste parametre for en MCU til biler inkluderer driftsspænding, driftsfrekvens, flash- og RAM-kapacitet, timermodul og kanalnummer, ADC-modul og kanalnummer, type og nummer af seriel kommunikationsgrænseflade, input- og output-I/O-portnummer, driftstemperatur, pakkeform og funktionelt sikkerhedsniveau.
Opdelt efter CPU-bits kan bil-MCUS hovedsageligt opdeles i 8 bits, 16 bits og 32 bits. Med procesopgraderingen fortsætter prisen på 32-bit MCUS med at falde, og det er nu blevet mainstream, og det erstatter gradvist de applikationer og markeder, der tidligere var domineret af 8/16-bit MCUS.
Hvis den opdeles efter anvendelsesområdet, kan en bil-MCU opdeles i karosseridomænet, effektdomænet, chassisdomænet, cockpitdomænet og det intelligente drevdomæne. For cockpitdomænet og det intelligente drevdomæne skal MCU'en have høj computerkraft og eksterne kommunikationsgrænseflader med høj hastighed, såsom CAN FD og Ethernet. Karosseridomænet kræver også et stort antal eksterne kommunikationsgrænseflader, men MCU'ens krav til computerkraft er relativt lave, mens effektdomænet og chassisdomænet kræver højere driftstemperatur- og funktionelle sikkerhedsniveauer.
Chassis domænekontrolchip
Chassisdomænet er relateret til køretøjskørsel og består af transmissionssystem, køresystem, styresystem og bremsesystem. Det består af fem delsystemer, nemlig styring, bremsning, gearskifte, gashåndtag og affjedringssystem. Med udviklingen af bilens intelligens er perceptionsgenkendelse, beslutningsplanlægning og kontroludførelse af intelligente køretøjer kernesystemerne i chassisdomænet. Styring-by-wire og drive-by-wire er kernekomponenterne i den effektive del af automatisk kørsel.
(1) Jobkrav
Chassisdomænets ECU bruger en højtydende, skalerbar funktionel sikkerhedsplatform og understøtter sensorklynger og multiaksede inertialsensorer. Baseret på dette applikationsscenarie foreslås følgende krav til chassisdomænets MCU:
· Højfrekvent og høj computerkraftkrav, hovedfrekvensen er ikke mindre end 200 MHz, og computerkraften er ikke mindre end 300 DMIPS
· Flash-lagerpladsen er ikke mindre end 2 MB, med en fysisk partition af kode-flash og data-flash;
· RAM ikke mindre end 512 KB;
· Høje krav til funktionel sikkerhed, kan nå ASIL-D-niveau;
· Understøtter 12-bit præcisions-ADC;
· Understøtter 32-bit timer med høj præcision og høj synkronisering;
· Understøtter flerkanals CAN-FD;
· Understøtter ikke mindre end 100M Ethernet;
· Pålidelighed ikke lavere end AEC-Q100 Grade 1;
· Understøtter online opgradering (OTA);
· Understøtter firmwareverifikationsfunktion (national hemmelig algoritme);
(2) Ydeevnekrav
· Kernedel:
I. Kernefrekvens: Det vil sige clockfrekvensen, når kernen arbejder, som bruges til at repræsentere hastigheden af kernens digitale pulssignaloscillation, og hovedfrekvensen kan ikke direkte repræsentere kernens beregningshastighed. Kerneloperationshastighed er også relateret til kernel pipeline, cache, instruktionssæt osv.
II. Computerkraft: DMIPS kan normalt bruges til evaluering. DMIPS er en enhed, der måler den relative ydeevne af MCU'ens integrerede benchmarkprogram, når det testes.
· Hukommelsesparametre:
I. Kodehukommelse: hukommelse, der bruges til at lagre kode;
II. Datahukommelse: hukommelse, der bruges til at lagre data;
III.RAM: Hukommelse, der bruges til at lagre midlertidige data og kode.
· Kommunikationsbus: inklusive bilspecialbus og konventionel kommunikationsbus;
· Højpræcisionsudstyr;
· Driftstemperatur;
(3) Industrimønster
Da den elektriske og elektroniske arkitektur, der anvendes af forskellige bilproducenter, vil også komponentkravene til chassisområdet variere. På grund af den forskellige konfiguration af forskellige modeller fra den samme bilfabrik vil ECU-valget til chassisområdet være forskelligt. Disse forskelle vil resultere i forskellige MCU-krav til chassisområdet. For eksempel bruger Honda Accord tre MCU-chips til chassisområdet, og Audi Q7 bruger omkring 11 MCU-chips til chassisområdet. I 2021 er produktionen af kinesiske personbiler omkring 10 millioner, hvoraf den gennemsnitlige efterspørgsel efter MCUS til cykelchassis er 5, og det samlede marked har nået omkring 50 millioner. De vigtigste leverandører af MCUS på tværs af chassisområdet er Infineon, NXP, Renesas, Microchip, TI og ST. Disse fem internationale halvlederleverandører tegner sig for mere end 99% af markedet for MCUS til chassisområdet.
(4) Branchebarrierer
Fra et centralt teknisk synspunkt er komponenterne i chassisdomænet, såsom EPS, EPB og ESC, tæt forbundet med førerens livssikkerhed, så det funktionelle sikkerhedsniveau for chassisdomænets MCU er meget højt, grundlæggende ASIL-D-niveaukrav. Dette funktionelle sikkerhedsniveau for MCU er blankt i Kina. Ud over det funktionelle sikkerhedsniveau har anvendelsesscenarierne for chassiskomponenter meget høje krav til MCU-frekvens, computerkraft, hukommelseskapacitet, perifer ydeevne, perifer nøjagtighed og andre aspekter. Chassisdomænets MCU har dannet en meget høj industribarriere, som indenlandske MCU-producenter skal udfordre og bryde.
Med hensyn til forsyningskæden stilles der på grund af kravene til høj frekvens og høj computerkraft til kontrolchippen i chassisdomænekomponenterne relativt høje krav til processen og processen med waferproduktion. I øjeblikket ser det ud til, at der kræves mindst 55 nm-processer for at opfylde MCU-frekvenskravene over 200 MHz. I denne henseende er den indenlandske MCU-produktionslinje ikke komplet og har ikke nået masseproduktionsniveauet. Internationale halvlederproducenter har grundlæggende taget IDM-modellen til sig, og hvad angår waferstøberier, har i øjeblikket kun TSMC, UMC og GF de tilsvarende muligheder. Indenlandske chipproducenter er alle Fabless-virksomheder, og der er udfordringer og visse risici i waferfremstilling og kapacitetssikring.
I centrale computerscenarier som autonom kørsel er traditionelle CPU'er til generelle formål vanskelige at tilpasse sig AI-computerkrav på grund af deres lave computereffektivitet, og AI-chips som GPU'er, FPGA'er og ASIC'er har fremragende ydeevne i edge- og cloud-segmentet med deres egne karakteristika og er meget udbredte. Fra et teknologisk perspektiv vil GPU'er stadig være den dominerende AI-chip på kort sigt, og på lang sigt er ASIC den ultimative retning. Fra et markedsperspektiv vil den globale efterspørgsel efter AI-chips opretholde en hurtig vækst, og cloud- og edge-chips har et større vækstpotentiale, og markedsvæksten forventes at være tæt på 50 % i de næste fem år. Selvom fundamentet for indenlandsk chipteknologi er svagt, skaber den hurtige efterspørgsel efter AI-chips med den hurtige landing af AI-applikationer muligheder for teknologi- og kapacitetsvækst hos lokale chipvirksomheder. Autonom kørsel har strenge krav til computerkraft, forsinkelse og pålidelighed. I øjeblikket anvendes GPU+FPGA-løsninger mest. Med algoritmernes stabilitet og datadrevne teknologier forventes ASIC'er at vinde markedsplads.
Der kræves meget plads på CPU-chippen til branch-forudsigelse og optimering, hvilket sparer forskellige tilstande for at reducere latenstiden for opgaveskift. Dette gør den også mere velegnet til logisk kontrol, seriel drift og generel datadrift. Tag GPU og CPU som eksempel. Sammenlignet med CPU bruger GPU'en et stort antal computerenheder og en lang pipeline, kun en meget simpel kontrollogik og eliminerer cachen. CPU'en optager ikke kun meget plads via cachen, men har også kompleks kontrollogik og mange optimeringskredsløb, hvilket sammenlignet med computerkraften kun er en lille del.
Power Domain-kontrolchip
Power Domain Controller er en intelligent drivlinjestyringsenhed. Med CAN/FLEXRAY opnås transmissionsstyring, batteristyring, overvågning af generatorregulering, primært brugt til optimering og styring af drivlinjen, samtidig med at den har intelligent elektrisk fejldiagnose, intelligent strømbesparelse, buskommunikation og andre funktioner.
(1) Jobkrav
Power Domain Control MCU'en kan understøtte større applikationer inden for strømforsyning, såsom BMS, med følgende krav:
· Høj hovedfrekvens, hovedfrekvens 600 MHz ~ 800 MHz
· RAM 4 MB
· Høje krav til funktionel sikkerhed, kan nå ASIL-D-niveau;
· Understøtter flerkanals CAN-FD;
· Understøtter 2G Ethernet;
· Pålidelighed ikke lavere end AEC-Q100 Grade 1;
· Understøtter firmwareverifikationsfunktion (national hemmelig algoritme);
(2) Ydeevnekrav
Høj ydeevne: Produktet integrerer ARM Cortex R5 dual-core lock-step CPU og 4 MB on-chip SRAM for at understøtte de stigende computerkraft- og hukommelseskrav i bilindustrien. ARM Cortex-R5F CPU op til 800 MHz. Høj sikkerhed: Køretøjsspecifikationens pålidelighedsstandard AEC-Q100 når niveau 1, og det funktionelle sikkerhedsniveau ISO26262 når ASIL D. Dual-core lock-step CPU'en kan opnå op til 99 % diagnostisk dækning. Det indbyggede informationssikkerhedsmodul integrerer en ægte tilfældig talgenerator, AES, RSA, ECC, SHA og hardwareacceleratorer, der overholder de relevante standarder for statslig og erhvervsmæssig sikkerhed. Integrationen af disse informationssikkerhedsfunktioner kan opfylde behovene i applikationer såsom sikker opstart, sikker kommunikation, sikker firmwareopdatering og -opgradering.
Chip til kontrol af kropsområde
Karrosseriet er primært ansvarligt for styringen af forskellige funktioner i karrosseriet. Med udviklingen af køretøjet er karrosseriets styreenhed også blevet mere og mere anvendt. For at reducere omkostningerne ved styreenheden og vægten af køretøjet er det nødvendigt at integrere alle funktionelle enheder, fra den forreste del, bilens midterste del og den bageste del af bilen, såsom bagbremselys, bagpositionslys, bagdørlås og endda dobbeltstang, i en samlet styreenhed.
En karosseristyring integrerer generelt BCM, PEPS, TPMS, Gateway og andre funktioner, men kan også udvide sædejustering, bakspejlskontrol, airconditionkontrol og andre funktioner, omfattende og samlet styring af hver aktuator, rimelig og effektiv allokering af systemressourcer. Funktionerne i en karosseristyring er talrige, som vist nedenfor, men er ikke begrænset til dem, der er anført her.
(1) Jobkrav
De vigtigste krav til MCU-kontrolchips til bilelektronik er bedre stabilitet, pålidelighed, sikkerhed, realtids- og andre tekniske egenskaber, samt højere computerydelse og lagerkapacitet samt lavere krav til strømforbrugsindeks. Karrosseristyringen er gradvist gået fra en decentraliseret funktionel implementering til en stor controller, der integrerer alle de grundlæggende drev i karrosserielektronik, nøglefunktioner, lys, døre, vinduer osv. Karrosseristyringssystemets design integrerer belysning, vinduesviskervask, centrale dørlåse, vinduer og andre kontroller, intelligente PEPS-nøgler, strømstyring osv. Udover gateway CAN, udvidelige CANFD og FLEXRAY, LIN-netværk, Ethernet-grænseflade og moduludviklings- og designteknologi.
Generelt afspejles arbejdskravene for de ovennævnte kontrolfunktioner for MCU'ens hovedkontrolchip i karrosseriområdet primært i aspekter af beregnings- og behandlingsydelse, funktionel integration, kommunikationsgrænseflade og pålidelighed. Med hensyn til specifikke krav er der på grund af de funktionelle forskelle i forskellige funktionelle applikationsscenarier i karrosseriområdet, såsom elruder, automatiske sæder, elektrisk bagklap og andre karrosseriapplikationer, stadig behov for højeffektiv motorstyring. Sådanne karrosseriapplikationer kræver, at MCU'en integrerer FOC elektronisk kontrolalgoritme og andre funktioner. Derudover har forskellige applikationsscenarier i karrosseriområdet forskellige krav til chippens grænsefladekonfiguration. Derfor er det normalt nødvendigt at vælge karrosseriområdets MCU i henhold til de funktionelle og ydeevnekrav i det specifikke applikationsscenarie og på dette grundlag foretage en omfattende måling af produktets omkostningsydelse, leveringsevne og tekniske service og andre faktorer.
(2) Ydeevnekrav
De vigtigste referenceindikatorer for MCU-chippen til kontrol af kropsområde er som følger:
Ydeevne: ARM Cortex-M4F@ 144MHz, 180DMIPS, indbygget 8KB instruktionscache-cache, understøtter Flash-accelerationsenhedsudførelsesprogram 0 ventetid.
Krypteret hukommelse med stor kapacitet: op til 512K bytes eFlash, understøtter krypteret lagring, partitionsstyring og databeskyttelse, understøtter ECC-verifikation, 100.000 sletninger, 10 års dataopbevaring; 144K bytes SRAM, understøtter hardwareparitet.
Integrerede, omfattende kommunikationsgrænseflader: Understøtter flerkanals GPIO, USART, UART, SPI, QSPI, I2C, SDIO, USB2.0, CAN 2.0B, EMAC, DVP og andre grænseflader.
Integreret højtydende simulator: Understøtter 12-bit 5 Msps højhastigheds-ADC, skinne-til-skinne uafhængig operationsforstærker, højhastigheds analog komparator, 12-bit 1 Msps DAC; Understøtter ekstern input-uafhængig referencespændingskilde, flerkanals kapacitiv berøringstast; Højhastigheds-DMA-controller.
Understøtter intern RC- eller ekstern krystalurindgang, nulstilling med høj pålidelighed.
Indbygget kalibrerings-RTC realtidsur, understøtter skudårs evighedskalender, alarmhændelser, periodisk vækning.
Understøtter højpræcisions timingtæller.
Sikkerhedsfunktioner på hardwareniveau: Krypteringsalgoritme hardwareaccelerationsmotor, understøtter AES, DES, TDES, SHA1/224/256, SM1, SM3, SM4, SM7, MD5 algoritmer; Flash-lagringskryptering, administration af flerbrugerpartitioner (MMU), TRNG ægte tilfældig talgenerator, CRC16/32-drift; Understøtter skrivebeskyttelse (WRP), flere læsebeskyttelsesniveauer (RDP) (L0/L1/L2); Understøtter sikkerhedsopstart, download af programkryptering, sikkerhedsopdatering.
Understøtter overvågning af urfejl og overvågning af nedrivning.
96-bit UID og 128-bit UCID.
Meget pålideligt arbejdsmiljø: 1,8V ~ 3,6V/-40℃ ~ 105℃.
(3) Industrimønster
Det elektroniske system til karosseristyring er i en tidlig vækstfase for både udenlandske og indenlandske virksomheder. Udenlandske virksomheder inden for BCM, PEPS, døre og vinduer, sædestyring og andre enkeltfunktionsprodukter har en dyb teknisk akkumulering, mens de store udenlandske virksomheder har en bred dækning af produktlinjer, hvilket lægger grundlaget for deres systemintegrationsprodukter. Indenlandske virksomheder har visse fordele ved anvendelsen af ny energibilkarrosseri. Tag BYD som eksempel, i BYDs nye energibil er karrosseriområdet opdelt i venstre og højre område, og produktet af systemintegration er omarrangeret og defineret. Med hensyn til karosseristyringschips er hovedleverandøren af MCU dog stadig Infineon, NXP, Renesas, Microchip, ST og andre internationale chipproducenter, og indenlandske chipproducenter har i øjeblikket en lav markedsandel.
(4) Branchebarrierer
Fra et kommunikationsperspektiv er der udviklingsprocessen for traditionel arkitektur - hybridarkitektur - den endelige køretøjscomputerplatform. Ændringen i kommunikationshastighed, såvel som prisreduktionen af basal computerkraft med høj funktionel sikkerhed, er nøglen, og det er muligt gradvist at realisere kompatibiliteten af forskellige funktioner på det elektroniske niveau af den grundlæggende controller i fremtiden. For eksempel kan karosseriområdecontrolleren integrere traditionelle BCM-, PEPS- og ripple anti-pinch-funktioner. Relativt set er de tekniske barrierer for karosseriområdestyringschippen lavere end effektområdet, cockpitområdet osv., og indenlandske chips forventes at tage føringen i at gøre et stort gennembrud inden for karosseriområdet og gradvist realisere indenlandsk substitution. I de senere år har den indenlandske MCU på markedet for front- og bagmontering af karosseriområdet haft en meget god udviklingsmomentum.
Cockpitkontrolchip
Elektrificering, intelligens og netværk har accelereret udviklingen af bilelektronik og -elektrisk arkitektur i retning af domænekontrol, og cockpittet udvikler sig også hurtigt fra køretøjets lyd- og videounderholdningssystem til det intelligente cockpit. Cockpittet præsenteres med en menneske-computer-interaktionsgrænseflade, men uanset om det er det tidligere infotainmentsystem eller det nuværende intelligente cockpit, har det udover at have en kraftfuld SOC med computerhastighed også brug for en høj realtids-MCU til at håndtere datainteraktionen med køretøjet. Den gradvise popularisering af softwaredefinerede køretøjer, OTA og Autosar i det intelligente cockpit gør kravene til MCU-ressourcer i cockpittet stadig højere. Specifikt afspejles i den stigende efterspørgsel efter FLASH- og RAM-kapacitet, og efterspørgslen efter PIN-antal stiger også. Mere komplekse funktioner kræver stærkere programudførelseskapaciteter, men har også en rigere busgrænseflade.
(1) Jobkrav
MCU'en i kabinen udfører primært systemstrømstyring, styring af tændingstidspunkt, netværksstyring, diagnose, interaktion med køretøjsdata, styring af nøgler, baggrundsbelysning, styring af DSP/FM-lydmoduler, systemtidsstyring og andre funktioner.
MCU-ressourcekrav:
· Hovedfrekvensen og computerkraften har visse krav, hovedfrekvensen er ikke mindre end 100 MHz, og computerkraften er ikke mindre end 200 DMIPS;
· Flash-lagerpladsen er ikke mindre end 1 MB, med en fysisk partition af kode-flash og data-flash;
· RAM ikke mindre end 128 KB;
· Høje krav til funktionel sikkerhed, kan nå ASIL-B-niveau;
· Understøtter flerkanals ADC;
· Understøtter flerkanals CAN-FD;
· Køretøjsreglementets klasse AEC-Q100 klasse 1;
· Understøtter online opgradering (OTA), Flash understøtter dobbelt bank;
· En informationskrypteringsmotor på SHE/HSM-lysniveau og derover er påkrævet for at understøtte sikker opstart;
· Antallet af pinkoder er ikke mindre end 100;
(2) Ydeevnekrav
IO understøtter bredspændingsstrømforsyning (5,5v~2,7v), IO-port understøtter brug af overspænding;
Mange signalindgange svinger afhængigt af strømforsyningens batterispænding, og der kan forekomme overspænding. Overspænding kan forbedre systemets stabilitet og pålidelighed.
Hukommelsesliv:
Bilens levetid er mere end 10 år, så bilens MCU-programlagring og datalagring skal have en længere levetid. Programlagring og datalagring skal have separate fysiske partitioner, og programlagringen skal slettes færre gange, så udholdenhed > 10K, mens datalagringen skal slettes oftere, så den skal have et større antal slettetider. Se dataflash-indikatoren Udholdenhed > 100K, 15 år (<1K). 10 år (<100K).
Kommunikationsbusgrænseflade;
Belastningen på buskommunikationen på køretøjet bliver højere og højere, så den traditionelle CAN CAN ikke længere opfylder kommunikationsbehovet. Efterspørgslen efter højhastigheds-CAN-FD-busser bliver højere og højere, og understøttelse af CAN-FD er gradvist blevet MCU-standarden.
(3) Industrimønster
I øjeblikket er andelen af indenlandske smarte kabine-MCU'er stadig meget lav, og de vigtigste leverandører er stadig NXP, Renesas, Infineon, ST, Microchip og andre internationale MCU-producenter. En række indenlandske MCU-producenter har været med i layoutet, men markedets præstation er endnu uvist.
(4) Branchebarrierer
Reguleringsniveauet for intelligente kabinebiler og niveauet for funktionel sikkerhed er relativt ikke for højt, primært på grund af akkumulering af knowhow og behovet for kontinuerlig produktiteration og -forbedring. Samtidig er processen relativt bagud, fordi der ikke er mange MCU-produktionslinjer i indenlandske fabrikker, og det tager tid at opnå den nationale produktionsforsyningskæde. Der kan være højere omkostninger, og konkurrencepresset fra internationale producenter er større.
Anvendelse af indenlandsk kontrolchip
Bilstyringschips er hovedsageligt baseret på bil-MCU'er. Førende indenlandske virksomheder som Ziguang Guowei, Huada Semiconductor, Shanghai Xinti, Zhaoyi Innovation, Jiefa Technology, Xinchi Technology, Beijing Junzheng, Shenzhen Xihua, Shanghai Qipuwei, National Technology osv. har alle MCU-produktsekvenser i bilstørrelse, der sammenligner gigantprodukter i udlandet og er i øjeblikket baseret på ARM-arkitektur. Nogle virksomheder har også forsket og udviklet RISC-V-arkitekturen.
I øjeblikket bruges chippen til den indenlandske køretøjsstyringsdomæne hovedsageligt på markedet for frontlæssning i biler og er blevet anvendt på biler inden for karosseri- og infotainmentområdet. Inden for chassis, strømforsyning og andre områder er den stadig domineret af udenlandske chipgiganter som stmicroelectronics, NXP, Texas Instruments og Microchip Semiconductor, og kun få indenlandske virksomheder har realiseret masseproduktionsapplikationer. I øjeblikket vil den indenlandske chipproducent Chipchi lancere højtydende kontrolchip E3-serieprodukter baseret på ARM Cortex-R5F i april 2022 med et funktionelt sikkerhedsniveau, der når ASIL D, temperaturniveau, der understøtter AEC-Q100 Grade 1, CPU-frekvens op til 800 MHz og op til 6 CPU-kerner. Det er det højtydende produkt i den eksisterende masseproducerede MCU til køretøjsmålere og udfylder hullet i det indenlandske marked for high-end køretøjsmålere med høj sikkerhed. Med høj ydeevne og høj pålidelighed kan den bruges i BMS, ADAS, VCU, by-wire-chassis, instrument, HUD, intelligente bakspejle og andre centrale køretøjsstyringsområder. Mere end 100 kunder har taget E3 til sig til produktdesign, herunder GAC, Geely osv.
Anvendelse af kerneprodukter til indenlandske controllere
Opslagstidspunkt: 19. juli 2023
