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車規級MCU知識介紹

2023-10-07新聞

一輛傳統燃油車需要大約500到600顆芯片,輕混汽車大約需要1000顆,插電混動和純電動汽車則需要至少2000顆芯片。

這就意味著在智能電動汽車快速發展的過程中,不僅對先進制程芯片需求不斷增加,而且對傳統芯片需求也會持續增加。MCU就是這樣,除了單車搭載的數量在不斷增長,域控制器也帶來了對高安全、高可靠、高算力MCU的新需求增長。

MCU,Microcontroller Unit,中文稱單片微型電腦/微控制器/微控制器,將CPU、記憶體、外圍功能整合在單一芯片上,形成具有控制功能的芯片級電腦,主要用於實作訊號處理和控制,是智能控制系統的核心。

MCU和汽車電子,工業,電腦和網絡,消費電子,家電和物聯網等我們生活和工作密切相關,汽車電子是汽車電子中最大的一個市場,全球範圍內汽車電子所占比例高達33%。

MCU結構

MCU主要由中央處理器CPU、記憶體(ROM和RAM)、輸入輸出I/O介面、序列口、計數器等構成。

CPU :Central Processing Unit,中央處理器,是 MCU 內部的核心部件,運算部件能完成數據的算術邏輯運算、位變量處理和數據傳送操作,控制部件則按照一定時序協調工作,分析並執行指令。

ROM :Read-Only Memory,是程式記憶體,用來存放由制造廠家寫好的程式,資訊以非破壞方式讀取,所保存的數據在掉電時不會消失,MCU根據預先編制的程式進行處理。

RAM :Random Access Memory,是數據記憶體,與 CPU 直接進行數據交換,掉電後該數據不能保持。程式執行時可隨時寫和讀,一般用作作業系統或者其他運行程式臨時數據儲存介質。

CPU和MCU的關系:

CPU是運算控制的核心。MCU除了CPU之外,還包含ROM或RAM等,是芯片級芯片。常見的還有SoC(System on Chip),中文叫片上系統,它是一種系統級芯片,可以儲存和執行系統級程式碼,執行QNX、Linux 等作業系統,包含多個處理器單元(CPU+GPU+DSP+NPU+儲存+介面單元)。

MCU的位數

位數是指MCU每次處理數據的寬度,位數越高意味著MCU數據處理能力就越強,目前最主要的是8、16、32位元三種,其中32位元占比最多且增長迅速。

在汽車電子套用中,8 位MCU成本低、便於開發,目前多用於比較簡單的控制方面,例如照明,雨刷,車窗,座椅以及車門等車身域控制。但對比較復雜的方面,例如儀表顯示,車載娛樂資訊系統,動力控制系統,底盤,駕駛輔助系統等等,主要是32位元,且隨著汽車電動化、智能化、網聯化的叠代前進演化,對MCU的運算能力要求也越來越高。

MCU車規認證

MCU供應商在進入OEM的供應鏈體系前,一般需要完成三大認證:設計階段要遵循功能安全標準 ISO 26262,流片和封裝階段要遵循AEC-Q001~004和IATF16949,以及在認證測試階段要遵循AEC-Q100/Q104。

其中,ISO 26262定義了ASIL四個安全等級,從低到高分別為A、B、C和D;AEC-Q100 分為四個可靠性等級,從低到高分別為 3、2、1和0。AEC-Q100 系列認證一般需要1-2年的時間,而ISO 26262的認證難度更大,周期更長。

MCU在智能電動汽車產業的套用

MCU在汽車產業中的套用非常廣泛,例如前表就是從車身附件、動力系統、底盤、車載資訊娛樂、智能駕駛等板塊都得到了套用。隨著智能電動車時代的到來,人們對MCU產品的需求將更加旺盛。

電動化:

1、電池管理系統BMS :BMS需要對充放電、溫度、電池間均衡進行控制,主控板需要一顆MCU,每個從控板也需要一顆MCU;

2、整車控制器VCU :電動汽車能量管理需要增加整車控制器,同時需要配備32位元高階MCU,其數量根據各廠的方案不同而不同;

3、引擎控制器/變速箱控制器 :存量替換,電動汽車逆變器控制MCU替代油車的引擎控制器,因電機轉速高,需透過減速器進行減速,它所安裝MCU控制芯片代替油車變速箱控制器。

智能化:

1、當前國內汽車市場還停留在L2高速滲透階段,從綜合成本與效能考慮,OEM增加ADAS功能仍然采用分布式架構,隨裝載率提高,對傳感器資訊處理的MCU也相應增多。

2、由於座艙功能日益增多,更高新能的芯片作用越來越重要,對應的MCU地位有所下降。

工藝制造

MCU本身對算力要求優先,對先進制程要求不高,同時其內建的嵌入式儲存自身也限制了MCU制程的提升,所以目前車規MCU工藝節點以40nm以上成熟制程為主,一些較先進車用MCU產品使用28nm制程。車規芯片規格以8英寸晶圓為主,一些廠家特別是IDM已經開始移植到12英寸的平台上。

目前28nm和40nm工藝是市場主流。

國內外典型企業

與消費及工業級MCU相比,車規級MCU在執行環境,可靠性及供貨周期等方面都有更高的要求,另外車規級MCU具有相對更高的認證門檻,認證時間較長,準入困難,因此總體上MCU的市場格局比較集中,2021年世界前五名的MCU企業占比就達82%之多。

當前,中國車規級MCU尚處於匯入期,供應鏈本土化和國產替代化具有很大的潛力。