Въведение в чипа за контролен клас
Контролният чип се отнася главно до MCU (микроконтролер), т.е. микроконтролерът, известен още като единичен чип, е предназначен да намали честотата и спецификациите на процесора по подходящ начин, а паметта, таймерът, аналогово-цифровото преобразуване, тактовият часовник, входно-изходният порт и серийната комуникация, както и други функционални модули и интерфейси са интегрирани в един чип. Реализирайки функцията за терминално управление, той има предимствата на висока производителност, ниска консумация на енергия, програмируемост и висока гъвкавост.
MCU диаграма на нивото на габарита на превозното средство
Автомобилната индустрия е много важна област на приложение на микроконтролерите (MCU). Според данни на IC Insights, през 2019 г. глобалното приложение на MCU в автомобилната електроника е представлявало около 33%. Броят на MCUS, използвани от всеки автомобил във висок клас модели, е близо 100. От шофьорски компютри, LCD инструменти, до двигатели, шасита, големи и малки компоненти в автомобила, се нуждаят от MCU управление.
В ранните дни 8-битовите и 16-битовите MCUS се използваха главно в автомобилите, но с непрекъснатото усъвършенстване на електрониката и интелигентността на автомобилите, броят и качеството на необходимите MCUS също се увеличават. В момента делът на 32-битовите MCUS в автомобилните MCUS е достигнал около 60%, от които ядрото от серията Cortex на ARM, поради ниската си цена и отличния контрол на мощността, е основният избор на производителите на автомобилни MCU.
Основните параметри на автомобилния микроконтролер включват работно напрежение, работна честота, капацитет на флаш и RAM паметта, номер на таймерния модул и канал, номер на ADC модула и канала, тип и номер на серийния комуникационен интерфейс, номер на входен и изходен I/O порт, работна температура, вид на корпуса и ниво на функционална безопасност.
Разделени по брой битове на процесора, автомобилните MCUS могат да бъдат разделени основно на 8-битови, 16-битови и 32-битови. С обновяването на процеса, цената на 32-битовите MCUS продължава да пада и сега те се превръщат в мейнстрийм, като постепенно заместват приложенията и пазарите, доминирани от 8/16-битови MCUS в миналото.
Ако се раздели според областта на приложение, автомобилният MCU може да се раздели на домейн на каросерията, домейн на захранването, домейн на шасито, домейн на кабината и домейн на интелигентното шофиране. За домейна на кабината и домейна на интелигентното задвижване, MCU трябва да има висока изчислителна мощност и високоскоростни външни комуникационни интерфейси, като CAN FD и Ethernet. Домейнът на каросерията също изисква голям брой външни комуникационни интерфейси, но изискванията за изчислителна мощност на MCU са сравнително ниски, докато домейнът на захранването и домейнът на шасито изискват по-висока работна температура и нива на функционална безопасност.
Чип за контрол на домейна на шасито
Областта на шасито е свързана с управлението на превозното средство и се състои от трансмисионна система, система за задвижване, кормилна система и спирачна система. Тя се състои от пет подсистеми, а именно кормилно управление, спиране, превключване на предавките, дроселова система и система за окачване. С развитието на автомобилния интелект, разпознаването на възприятията, планирането на решенията и изпълнението на контрола на интелигентните превозни средства са основните системи в областта на шасито. Електронното управление (Steering-by-wire) и електронното управление (Drive-by-wire) са основните компоненти за изпълнителния край на автоматичното шофиране.
(1) Изисквания за длъжността
ECU на шасито използва високопроизводителна, мащабируема платформа за функционална безопасност и поддържа клъстериране на сензори и многоосни инерционни сензори. Въз основа на този сценарий на приложение се предлагат следните изисквания за MCU на шасито:
· Изисквания за висока честота и висока изчислителна мощност, основната честота е не по-малка от 200MHz, а изчислителната мощност е не по-малка от 300DMIPS
· Флаш паметта е не по-малка от 2MB, с физически дял за кодова флаш памет и флаш памет за данни;
· RAM памет не по-малко от 512KB;
· Високи изисквания за ниво на функционална безопасност, могат да достигнат ниво ASIL-D;
· Поддръжка на 12-битов прецизен аналогово-цифров преобразувател (ADC);
· Поддръжка на 32-битов таймер с висока прецизност и висока синхронизация;
· Поддръжка на многоканален CAN-FD;
· Поддържа не по-малко от 100M Ethernet;
· Надеждност не по-ниска от AEC-Q100 Grade1;
· Поддръжка на онлайн ъпгрейд (OTA);
· Поддържа функция за проверка на фърмуера (национален секретен алгоритъм);
(2) Изисквания за ефективност
· Ядрена част:
I. Честота на ядрото: това е тактовата честота, когато ядрото работи, която се използва за представяне на скоростта на трептене на цифровия импулсен сигнал на ядрото. Основната честота не може директно да представлява скоростта на изчисление на ядрото. Скоростта на работа на ядрото е свързана и с конвейера на ядрото, кеша, набора от инструкции и др.
II. Изчислителна мощност: DMIPS обикновено може да се използва за оценка. DMIPS е единица, която измерва относителната производителност на интегрираната програма за бенчмарк на MCU, когато тя се тества.
· Параметри на паметта:
I. Памет за код: памет, използвана за съхраняване на код;
II. Памет за данни: памет, използвана за съхраняване на данни;
III.RAM: Памет, използвана за съхраняване на временни данни и код.
· Комуникационна шина: включително автомобилна специална шина и конвенционална комуникационна шина;
· Високопрецизна периферия;
· Работна температура;
(3) Индустриален модел
Тъй като електрическата и електронната архитектура, използвана от различните автомобилни производители, ще варира, изискванията към компонентите за шасито ще варират. Поради различната конфигурация на различните модели на един и същ автомобилен завод, изборът на ECU за шасито ще бъде различен. Тези разлики ще доведат до различни изисквания към MCU за шасито. Например, Honda Accord използва три MCU чипа за шаси, а Audi Q7 използва около 11 MCU чипа. През 2021 г. производството на китайски леки автомобили е около 10 милиона, от които средното търсене на MCUS за велосипедни шасита е 5, а общият пазар е достигнал около 50 милиона. Основните доставчици на MCUS в шаситата са Infineon, NXP, Renesas, Microchip, TI и ST. Тези пет международни доставчика на полупроводници представляват повече от 99% от пазара на MCUS за шаси.
(4) Бариери в индустрията
От ключова техническа гледна точка, компонентите на шасито, като EPS, EPB, ESC, са тясно свързани с безопасността на живота на водача, така че нивото на функционална безопасност на MCU в областта на шасито е много високо, основно отговаря на изискванията на ниво ASIL-D. Това ниво на функционална безопасност на MCU е празно в Китай. В допълнение към нивото на функционална безопасност, сценариите на приложение на компонентите на шасито имат много високи изисквания за честота на MCU, изчислителна мощност, капацитет на паметта, периферна производителност, периферна точност и други аспекти. MCU в областта на шасито е формирал много висока индустриална бариера, която изисква от местните производители на MCU да бъдат оспорвани и преодолявани.
По отношение на веригата за доставки, поради изискванията за висока честота и висока изчислителна мощност за контролния чип на компонентите на шасито, се поставят сравнително високи изисквания към процеса и процеса на производство на пластини. В момента изглежда, че е необходим поне 55nm процес, за да се отговорят на изискванията за честота на MCU над 200MHz. В това отношение местната производствена линия на MCU не е завършена и не е достигнала ниво на масово производство. Международните производители на полупроводници основно са възприели модела IDM, по отношение на леярните за пластини, в момента само TSMC, UMC и GF имат съответните възможности. Местните производители на чипове са всички компании без фабрики и съществуват предизвикателства и определени рискове при производството на пластини и осигуряването на капацитет.
В основни изчислителни сценарии, като например автономно шофиране, традиционните процесори с общо предназначение са трудни за адаптиране към изискванията за изкуствен интелект поради ниската им изчислителна ефективност, а AI чиповете като GPU, FPGA и ASIC имат отлична производителност на периферията и в облака със свои собствени характеристики и са широко използвани. От гледна точка на технологичните тенденции, GPU ще продължи да бъде доминиращият AI чип в краткосрочен план, а в дългосрочен план ASIC е крайната посока. От гледна точка на пазарните тенденции, глобалното търсене на AI чипове ще поддържа бърз инерционен растеж, а облачните и периферните чипове имат по-голям потенциал за растеж, като се очаква темпът на растеж на пазара да бъде близо 50% през следващите пет години. Въпреки че основите на местната чип технология са слаби, с бързото навлизане на AI приложения, бързият обем на търсенето на AI чипове създава възможности за растеж на технологиите и капацитета на местните предприятия за чипове. Автономното шофиране има строги изисквания за изчислителна мощност, забавяне и надеждност. В момента се използват предимно GPU+FPGA решения. Със стабилността на алгоритмите и задвижването от данни се очаква ASIC чиповете да спечелят пазарно пространство.
На процесорния чип е необходимо много място за прогнозиране и оптимизация на разклоненията, запазвайки различни състояния, за да се намали латентността при превключване на задачи. Това го прави и по-подходящ за логическо управление, серийна работа и операции с данни от общ тип. Вземете за пример графичния процесор (GPU) и централния процесор (CPU). В сравнение с CPU, графичният процесор използва голям брой изчислителни устройства и дълъг конвейер, само много опростена логика на управление и елиминира кеша. CPU не само заема много място в кеша, но също така има сложна логика на управление и много оптимизационни схеми, което е само малка част от изчислителната мощност в сравнение с него.
Чип за контрол на домейна на захранването
Контролерът на захранващия домейн е интелигентно устройство за управление на силовото предаване. С CAN/FLEXRAY се осъществява управление на трансмисията, управление на батерията, наблюдение на регулирането на алтернатора, използва се главно за оптимизация и контрол на силовото предаване, като същевременно осигурява интелигентна диагностика на електрически повреди, интелигентно пестене на енергия, комуникация по шината и други функции.
(1) Изисквания за длъжността
MCU за управление на енергийния домейн може да поддържа основни приложения в енергетиката, като например BMS, със следните изисквания:
· Висока основна честота, основна честота 600MHz~800MHz
· RAM памет 4MB
· Високи изисквания за ниво на функционална безопасност, могат да достигнат ниво ASIL-D;
· Поддръжка на многоканален CAN-FD;
· Поддръжка на 2G Ethernet;
· Надеждност не по-ниска от AEC-Q100 Grade1;
· Поддържа функция за проверка на фърмуера (национален секретен алгоритъм);
(2) Изисквания за ефективност
Висока производителност: Продуктът интегрира двуядрен процесор ARM Cortex R5 с lock-step технология и 4MB вградена SRAM памет, за да поддържа нарастващите изисквания за изчислителна мощност и памет на автомобилните приложения. Процесор ARM Cortex-R5F до 800MHz. Висока безопасност: Стандартът за надеждност на спецификациите на превозното средство AEC-Q100 достига степен 1, а нивото на функционална безопасност ISO26262 достига ASIL D. Двуядреният процесор с lock-step технология може да постигне до 99% диагностично покритие. Вграденият модул за информационна сигурност интегрира истински генератор на случайни числа, AES, RSA, ECC, SHA и хардуерни ускорители, които отговарят на съответните стандарти за държавна и бизнес сигурност. Интегрирането на тези функции за информационна сигурност може да отговори на нуждите на приложения като сигурно стартиране, сигурна комуникация, сигурно актуализиране и надграждане на фърмуера.
Чип за контрол на телесната област
Зоната на каросерията е основно отговорна за контрола на различни функции на тялото. С развитието на превозните средства, контролерите на зоната на каросерията също стават все по-често срещани. За да се намали цената на контролера и да се намали теглото на автомобила, е необходимо интегрирането на всички функционални устройства, от предната част, средната част на автомобила и задната част на автомобила, като например задната стоп светлина, задната габаритна светлина, заключването на задната врата и дори двойната стойка, да бъдат обединени в един цялостен контролер.
Контролерът за площта на тялото обикновено интегрира BCM, PEPS, TPMS, Gateway и други функции, но също така може да разшири регулирането на седалката, управлението на огледалото за обратно виждане, управлението на климатика и други функции, цялостно и унифицирано управление на всеки задвижващ механизъм, разумно и ефективно разпределение на системните ресурси. Функциите на контролера за площта на тялото са многобройни, както е показано по-долу, но не се ограничават до изброените тук.
(1) Изисквания за длъжността
Основните изисквания на автомобилната електроника за MCU управляващи чипове са по-добра стабилност, надеждност, сигурност, работа в реално време и други технически характеристики, както и по-висока изчислителна производителност и капацитет за съхранение, и по-ниски изисквания за индекс на консумация на енергия. Контролерът на площта на каросерията постепенно премина от децентрализирано функционално внедряване към голям контролер, който интегрира всички основни задвижвания на електрониката на каросерията, ключови функции, светлини, врати, прозорци и др. Дизайнът на системата за контрол на площта на каросерията интегрира осветление, измиване на чистачките, централно управление на заключването на вратите, прозорците и други контролери, интелигентни ключове PEPS, управление на захранването и др. Както и CAN gateway, разширяеми CANFD и FLEXRAY, LIN мрежа, Ethernet интерфейс и технологии за разработване и проектиране на модули.
Като цяло, изискванията за работа на гореспоменатите контролни функции за главния контролен чип на MCU в областта на каросерията се отразяват главно в аспектите на изчислителната и обработваща производителност, функционалната интеграция, комуникационния интерфейс и надеждността. По отношение на специфичните изисквания, поради функционалните различия в различните сценарии на функционално приложение в областта на каросерията, като например електрически прозорци, автоматични седалки, електрически заден капак и други приложения в каросерията, все още съществуват нужди от високоефективно управление на двигателя. Такива приложения в каросерията изискват MCU да интегрира електронен алгоритъм за управление FOC и други функции. Освен това, различните сценарии на приложение в областта на каросерията имат различни изисквания за конфигурацията на интерфейса на чипа. Следователно, обикновено е необходимо да се избере MCU в областта на каросерията според функционалните и експлоатационните изисквания на конкретния сценарий на приложение и на тази основа да се измерят цялостно разходите за продукт, производителността, възможностите за доставка, техническото обслужване и други фактори.
(2) Изисквания за ефективност
Основните референтни индикатори на чипа MCU за контрол на телесната площ са следните:
Производителност: ARM Cortex-M4F@ 144MHz, 180DMIPS, вграден 8KB кеш памет за инструкции, поддръжка на Flash ускорение, изпълнение на програма 0 изчакване.
Криптирана памет с голям капацитет: до 512K байта eFlash, поддръжка на криптирано съхранение, управление на дялове и защита на данни, поддръжка на ECC проверка, 100 000 пъти изтриване, 10 години съхранение на данни; 144K байта SRAM, поддръжка на хардуерен паритет.
Интегрирани богати комуникационни интерфейси: Поддържат многоканални GPIO, USART, UART, SPI, QSPI, I2C, SDIO, USB2.0, CAN 2.0B, EMAC, DVP и други интерфейси.
Интегриран високопроизводителен симулатор: Поддръжка на 12-битов 5Msps високоскоростен ADC, независим операционен усилвател rail-to-rail, високоскоростен аналогов сравнител, 12-битов 1Msps DAC; Поддръжка на външен входен независим източник на референтно напрежение, многоканален капацитивен сензорен бутон; Високоскоростен DMA контролер.
Поддържа вътрешен RC или външен кристален тактов вход, висока надеждност на нулиране.
Вграден калибровъчен RTC часовник в реално време, поддръжка на вечен календар за високосна година, алармени събития, периодично събуждане.
Поддържа високопрецизен брояч на времето.
Функции за сигурност на хардуерно ниво: Механизъм за хардуерно ускорение на алгоритъма за криптиране, поддържащ алгоритми AES, DES, TDES, SHA1/224/256, SM1, SM3, SM4, SM7, MD5; Криптиране на флаш паметта, управление на дялове от множество потребители (MMU), генератор на случайни числа TRNG, работа с CRC16/32; Поддръжка на защита от запис (WRP), множество нива на защита от четене (RDP) (L0/L1/L2); Поддръжка на стартиране със сигурност, изтегляне на програма с криптиране, актуализация на сигурността.
Поддържа мониторинг на повреда на часовника и мониторинг на защитата от разрушаване.
96-битов UID и 128-битов UCID.
Високонадеждна работна среда: 1.8V ~ 3.6V/-40℃ ~ 105℃.
(3) Индустриален модел
Електронните системи за управление на каросерията са в ранен етап на растеж както за чуждестранни, така и за местни предприятия. Чуждестранните предприятия в секторите на BCM, PEPS, врати и прозорци, контролери за седалки и други еднофункционални продукти имат дълбоки технически натрупвания, докато големите чуждестранни компании имат широко покритие на продуктовите линии, което им поставя основите за разработване на продукти за системна интеграция. Местните предприятия имат определени предимства при прилагането на нови енергийни каросерии на превозни средства. Вземете BYD като пример, в новото енергийно превозно средство на BYD, каросерията е разделена на лява и дясна зона, а продуктът за системна интеграция е пренареден и дефиниран. Въпреки това, по отношение на чиповете за управление на каросерията, основният доставчик на MCU все още е Infineon, NXP, Renesas, Microchip, ST и други международни производители на чипове, а местните производители на чипове в момента имат нисък пазарен дял.
(4) Бариери в индустрията
От гледна точка на комуникацията, съществува процес на еволюция на традиционната архитектура - хибридна архитектура - крайната платформа за компютърни превозни средства. Промяната в скоростта на комуникация, както и намаляването на цената на основната изчислителна мощност с висока функционална безопасност са ключови и е възможно постепенно да се реализира съвместимостта на различните функции на електронно ниво на основния контролер в бъдеще. Например, контролерът на областта на каросерията може да интегрира традиционните BCM, PEPS и функции против прищипване. Относително казано, техническите бариери на чипа за контрол на областта на каросерията са по-ниски от тези на областта на захранването, областта на пилотската кабина и др., и се очаква местните чипове да поемат водеща роля в осъществяването на голям пробив в областта на каросерията и постепенно да реализират местно заместване. През последните години пазарът на местни микроконтролери за преден и заден монтаж на каросерията отбеляза много добър импулс на развитие.
Чип за управление на пилотската кабина
Електрификацията, интелигентността и работата в мрежа ускориха развитието на автомобилната електронна и електрическа архитектура в посока на контрол на домейна, а пилотската кабина също се развива бързо от аудио и видео развлекателна система за превозно средство до интелигентна пилотска кабина. Кабината е представена с интерфейс за взаимодействие човек-компютър, но независимо дали става въпрос за предишната информационно-развлекателна система или за настоящата интелигентна пилотска кабина, освен мощен SOC с изчислителна скорост, тя се нуждае и от високоскоростен MCU в реално време, за да се справи с взаимодействието на данните с превозното средство. Постепенното популяризиране на софтуерно дефинираните превозни средства, OTA и Autosar в интелигентната пилотска кабина прави изискванията за MCU ресурси в пилотската кабина все по-високи. Това се отразява по-специално в нарастващото търсене на капацитет на FLASH и RAM паметта, нараства и търсенето на PIN Count, по-сложните функции изискват по-силни възможности за изпълнение на програми, но също така имат и по-богат шинен интерфейс.
(1) Изисквания за длъжността
MCU в кабината реализира главно управление на захранването на системата, управление на времето за включване, управление на мрежата, диагностика, взаимодействие с данните на превозното средство, управление на ключове, управление на подсветката, управление на аудио DSP/FM модула, управление на системното време и други функции.
Изисквания за ресурси на микроконтролера:
· Основната честота и изчислителната мощност имат определени изисквания, като основната честота е не по-малка от 100MHz, а изчислителната мощност е не по-малка от 200DMIPS;
· Флаш паметта е не по-малка от 1MB, с физически дял за кодова флаш памет и данни;
· RAM памет не по-малко от 128KB;
· Високи изисквания за ниво на функционална безопасност, могат да достигнат ниво ASIL-B;
· Поддръжка на многоканален аналогово-цифров преобразувател (ADC);
· Поддръжка на многоканален CAN-FD;
· Клас на регулиране на превозни средства AEC-Q100 Клас 1;
· Поддръжка на онлайн ъпгрейд (OTA), поддръжка на флаш памет с двойна банка данни;
· За безопасно стартиране е необходим двигател за криптиране на информация на ниво SHE/HSM и по-високо;
· Броят на пиновете е не по-малък от 100PIN;
(2) Изисквания за ефективност
IO поддържа захранване с широко напрежение (5.5v~2.7v), IO портът поддържа използване при пренапрежение;
Много сигнални входове се колебаят в зависимост от напрежението на батерията на захранването и може да възникне пренапрежение. Пренапрежението може да подобри стабилността и надеждността на системата.
Живот на паметта:
Жизненият цикъл на автомобила е повече от 10 години, така че съхранението на програми и данни в автомобилния микроконтролер трябва да имат по-дълъг живот. Паметта на програмите и данните трябва да имат отделни физически дялове, а паметта на програмите трябва да се изтрива по-рядко, така че животът е >10K, докато паметта на данните трябва да се изтрива по-често, така че е необходимо да има по-голям брой изтривания. Вижте индикатора за издръжливост на данните >100K, 15 години (<1K), 10 години (<100K).
Интерфейс за комуникационна шина;
Натоварването на превозното средство от комуникационната шина става все по-голямо, така че традиционната CAN-FD шина вече не може да отговори на комуникационните изисквания. Търсенето на високоскоростна CAN-FD шина става все по-голямо, а поддръжката на CAN-FD постепенно се превръща в стандарт за микроконтролери.
(3) Индустриален модел
В момента делът на местните микроконтролери за интелигентни кабини е все още много нисък, а основните доставчици са NXP, Renesas, Infineon, ST, Microchip и други международни производители на микроконтролери. Редица местни производители на микроконтролери са участвали в разработката, но пазарното представяне предстои да се види.
(4) Бариери в индустрията
Нивото на регулиране на интелигентните кабини на автомобилите и нивото на функционална безопасност не са твърде високи, главно поради натрупването на ноу-хау и необходимостта от непрекъснато усъвършенстване и подобрение на продуктите. В същото време, тъй като няма много производствени линии за микроконтролери в местните фабрики, процесът е сравнително назадничав и отнема известно време, за да се достигне националната верига за доставки на производството, като може да има по-високи разходи и конкурентният натиск от международните производители е по-голям.
Приложение на домашен контролен чип
Чиповете за управление на автомобили са базирани главно на автомобилни MCU. Водещи местни предприятия като Ziguang Guowei, Huada Semiconductor, Shanghai Xinti, Zhaoyi Innovation, Jiefa Technology, Xinchi Technology, Beijing Junzheng, Shenzhen Xihua, Shanghai Qipuwei, National Technology и др., всички имат продуктови последователности на MCU за автомобилен мащаб, референтни продукти на гиганти в чужбина, в момента базирани на ARM архитектура. Някои предприятия също така са провели изследвания и разработки на RISC-V архитектура.
В момента чиповете за управление на превозни средства за местни предприятия се използват главно на пазара за предно товарене на автомобили и са били прилагани в областта на каросерията и инфотейнмънта, докато в областта на шасито, захранването и други области, те все още са доминирани от чуждестранни гиганти в производството на чипове като stmicroelectronics, NXP, Texas Instruments и Microchip Semiconductor, като само няколко местни предприятия са реализирали масово производство. В момента местният производител на чипове Chipchi ще пусне на пазара високопроизводителни контролни чипове от серия E3, базирани на ARM Cortex-R5F, през април 2022 г., с ниво на функционална безопасност, достигащо ASIL D, температурно ниво, поддържащо AEC-Q100 Grade 1, честота на процесора до 800MHz, с до 6 CPU ядра. Това е най-високопроизводителният продукт в съществуващия масово произвеждан MCU за измервателни уреди за превозни средства, запълвайки празнината на местния пазар на висококачествени MCU за измервателни уреди за превозни средства с високо ниво на безопасност. С висока производителност и висока надеждност, може да се използва в BMS, ADAS, VCU, шасита by-wire, инструменти, HUD, интелигентно огледало за обратно виждане и други основни области за управление на превозни средства. Повече от 100 клиенти са възприели E3 за продуктов дизайн, включително GAC, Geely и др.
Приложение на основните продукти на домашния контролер
Време на публикуване: 19 юли 2023 г.
