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徽州骆驼 · 2023年01月28日

车规MCU知识梳理

一辆传统燃油车需要大约500到600颗芯片,轻混汽车大约需要1000颗,插电混动和纯电动汽车则需要至少2000颗芯片。这意味着,随着智能电动汽车的飞速发展,不但先进制程的芯片需求量越来越大,传统芯片的需求量也将继续提升。MCU就是这样,除了单车搭载的数量在不断增长,域控制器也带来了对高安全、高可靠、高算力MCU的新需求增长。

MCU,Microcontroller Unit,中文称单片微型计算机/微控制器/单片机,将CPU、存储器、外围功能整合在单一芯片上,形成具有控制功能的芯片级计算机,主要用于实现信号处理和控制,是智能控制系统的核心。

MCU与我们的生活工作息息相关,如汽车电子、工业、计算机与网络、消费电子、家电、物联网等,其中汽车电子是最大的市场,从全球角度看占比达到了33%。

MCU结构

MCU主要由中央处理器CPU、存储器(ROM和RAM)、输入输出I/O接口、串行口、计数器等构成。

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CPU:Central Processing Unit,中央处理器,是 MCU 内部的核心部件,运算部件能完成数据的算术逻辑运算、位变量处理和数据传送操作,控制部件则按照一定时序协调工作,分析并执行指令。

ROM:Read-Only Memory,是程序存储器,用来存放由制造厂家写好的程序,信息以非破坏方式读取,存储数据掉电后不消失,MCU按照事先编写好的程序执行。

RAM:Random Access Memory,是数据存储器,与 CPU 直接进行数据交换,掉电后该数据不能保持。在程序运行过程中可以随时写入、读出,通常作为操作系统或其他正在运行中程序的临时数据存储介质。

CPU和MCU的关系:

CPU是运算控制的核心。MCU除了CPU之外,还包含ROM或RAM等,是芯片级芯片。常见的还有SoC(System on Chip),中文称片上系统,是系统级芯片,可存放并运行系统级别的代码,运行QNX、Linux 等操作系统,包含多个处理器单元(CPU+GPU+DSP+NPU+存储+接口单元)。

MCU的位数

位数是指MCU每次处理数据的宽度,位数越高意味着MCU数据处理能力就越强,目前最主要的是8、16、32位三种,其中32位占比最多且增长迅速。

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在汽车电子应用中,8位MCU成本低、便于开发,目前主要应用在相对简单的控制领域,如照明、雨刷、车窗、座椅和车门等车身域控制。而对于相对复杂的领域,如仪表显示、车载娱乐信息系统、动力控制系统、底盘、驾驶辅助系统等,则以32位的为主,且随着汽车电动化、智能化、网联化的迭代进化,对MCU的运算能力要求也越来越高。

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MCU车规认证

MCU供应商在进入OEM的供应链体系前,一般需要完成三大认证:设计阶段要遵循功能安全标准 ISO 26262,流片和封装阶段要遵循AEC-Q001~004和IATF16949,以及在认证测试阶段要遵循AEC-Q100/Q104。

其中,ISO 26262定义了ASIL四个安全等级,从低到高分别为A、B、C和D;AEC-Q100 分为四个可靠性等级,从低到高分别为 3、2、1和0。AEC-Q100 系列认证一般需要1-2年的时间,而ISO 26262的认证难度更大,周期更长。

MCU在智能电动汽车产业的应用

MCU在汽车产业中应用广泛,如前表,从车身附件、动力系统、底盘、车载信息娱乐到智能驾驶等板块都会用到。随着智能电动汽车时代的发展,MCU产品需求会越来越旺盛。

电动化:

1、电池管理系统BMS:BMS需要对充放电、温度、电池间均衡进行控制,主控板需要一颗MCU,每个从控板也需要一颗MCU;

2、整车控制器VCU:电动汽车能量管理需要增加一个整车控制器,同时需要配备32位高阶MCU,数量根据各厂的方案不同而不同;

3、引擎控制器/变速箱控制器:存量替换,电动汽车逆变器控制MCU替代油车的引擎控制器,由于电机转速较高,需要经过减速器减速,其配备的MCU控制芯片替换了油车的变速箱控制器。

智能化:

1、目前国内汽车市场还是处于L2高速渗透的阶段,基于综合成本和性能的考量,OEM新增ADAS功能仍沿用分布式架构,随着装载率的提升,处理传感器信息的MCU随之增加。

2、由于座舱功能日益增多,更高新能的芯片作用越来越重要,对应的MCU地位有所下降。

工艺制造

MCU本身对算力要求优先,对先进制程要求不高,同时其内置的嵌入式存储自身也限制了MCU制程的提升,因此当前车规MCU工艺节点主要是在40nm及以上的成熟制程,部分比较先进的车用MCU产品采用了28nm制程。车规芯片的规格主要是8英寸晶圆,部分厂商尤其IDM开始向12英寸平台迁移。

目前28nm和40nm工艺是市场主流。

国内外典型企业

相较于消费和工业级MCU,车规级MCU对运行环境、可靠性和供货周期的要求较高,此外车规级MCU认证门槛比较高,认证时间长、进入难度大,所以整体看MCU市场格局较为集中,2021年世界前五名的MCU企业占比就达82%之多。

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作者:小兔子
来源:焉知智能汽车
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