Zavedení čipu třídy Control
Řídicí čip se týká hlavně MCU (Microcontroller Unit), to znamená, že mikrokontrolér, známý také jako jeden čip, má vhodně snížit frekvenci CPU a specifikace a paměť, časovač, A/D převod, hodiny, I /O port a sériová komunikace a další funkční moduly a rozhraní integrované na jednom čipu. Při realizaci funkce ovládání terminálu má výhody vysokého výkonu, nízké spotřeby energie, programovatelnosti a vysoké flexibility.
Schéma MCU úrovně obrysu vozidla
Automobilový průmysl je velmi důležitou aplikační oblastí MCU, podle údajů IC Insights v roce 2019 představovala globální aplikace MCU v automobilové elektronice přibližně 33 %. Počet MCUS používaných každým vozem ve špičkových modelech se blíží 100, od řídicích počítačů, LCD přístrojů až po motory, podvozek, velké a malé komponenty v autě potřebují řízení MCU.
V počátcích se 8bitové a 16bitové MCUS používaly hlavně v automobilech, ale s neustálým zlepšováním elektronizace a inteligence automobilů se také zvyšuje počet a kvalita požadovaných MCUS. V současné době dosáhl podíl 32bitových MCUS v automobilových MCUS asi 60 %, z nichž jádro řady Cortex společnosti ARM je díky nízké ceně a vynikajícímu řízení výkonu hlavní volbou výrobců automobilových MCU.
Mezi hlavní parametry automobilového MCU patří provozní napětí, pracovní frekvence, kapacita Flash a RAM, číslo modulu časovače a kanálu, číslo modulu ADC a kanálu, typ a číslo sériového komunikačního rozhraní, číslo vstupního a výstupního I/O portu, provozní teplota, balení forma a úroveň funkční bezpečnosti.
Automobilový MCUS, rozdělený podle bitů CPU, lze rozdělit hlavně na 8 bitů, 16 bitů a 32 bitů. S upgradem procesu náklady na 32bitový MCUS nadále klesají a nyní se stal hlavním proudem a postupně nahrazuje aplikace a trhy, kterým v minulosti dominovaly 8/16bitové MCUS.
Pokud je automobilový MCU rozdělen podle oblasti použití, lze jej rozdělit na doménu karoserie, doménu výkonu, doménu podvozku, doménu kokpitu a doménu inteligentního řízení. Pro oblast kokpitu a doménu inteligentních pohonů musí mít MCU vysoký výpočetní výkon a vysokorychlostní externí komunikační rozhraní, jako je CAN FD a Ethernet. Oblast těla také vyžaduje velký počet externích komunikačních rozhraní, ale požadavky na výpočetní výkon MCU jsou relativně nízké, zatímco oblast napájení a doména šasi vyžaduje vyšší provozní teplotu a úroveň funkční bezpečnosti.
Řídicí čip domény podvozku
Oblast podvozku souvisí s řízením vozidla a skládá se z převodového systému, hnacího systému, systému řízení a brzdového systému. Skládá se z pěti subsystémů, a to řízení, brzdění, řazení, plynu a systému odpružení. S rozvojem automobilové inteligence jsou klíčovými systémy podvozkové domény rozpoznávání vnímání, plánování rozhodování a provádění řízení inteligentních vozidel. Steering-by-wire a drive-by-wire jsou základní komponenty pro výkonnou část automatického řízení.
(1) Požadavky na pracovní místo
ECU domény podvozku využívá vysoce výkonnou, škálovatelnou platformu funkční bezpečnosti a podporuje shlukování senzorů a víceosé inerciální senzory. Na základě tohoto scénáře aplikace jsou pro MCU domény podvozku navrženy následující požadavky:
· Vysoká frekvence a vysoké požadavky na výpočetní výkon, hlavní frekvence není nižší než 200 MHz a výpočetní výkon není nižší než 300 DMIPS
· Úložný prostor Flash není menší než 2 MB, s kódem Flash a fyzickým oddílem Flash dat;
· RAM ne méně než 512 kB;
· Požadavky na vysokou úroveň funkční bezpečnosti, mohou dosáhnout úrovně ASIL-D;
· Podpora 12bitové přesnosti ADC;
· Podpora 32bitového vysoce přesného časovače s vysokou synchronizací;
· Podpora vícekanálového CAN-FD;
· Podpora ne méně než 100M Ethernet;
· Spolehlivost není nižší než AEC-Q100 Grade1;
· Podpora online upgradu (OTA);
· Podpora funkce ověření firmwaru (národní tajný algoritmus);
(2) Požadavky na výkon
· Část jádra:
I. Frekvence jádra: to je hodinová frekvence, když jádro pracuje, která se používá k vyjádření rychlosti oscilace digitálního pulzního signálu jádra, a hlavní frekvence nemůže přímo reprezentovat rychlost výpočtu jádra. Rychlost provozu jádra také souvisí s kanálem jádra, mezipamětí, instrukční sadou atd.
II. Výpočetní výkon: K vyhodnocení lze obvykle použít DMIPS. DMIPS je jednotka, která měří relativní výkon integrovaného benchmarkového programu MCU, když je testován.
· Parametry paměti:
I. Paměť kódu: paměť používaná k uložení kódu;
II. Datová paměť: paměť používaná k ukládání dat;
III.RAM: Paměť používaná k ukládání dočasných dat a kódu.
· Komunikační sběrnice: včetně speciální automobilové sběrnice a konvenční komunikační sběrnice;
· Vysoce přesné periferie;
· Provozní teplota;
(3) Průmyslový vzor
Protože elektrická a elektronická architektura používaná různými výrobci automobilů se bude lišit, budou se lišit i požadavky na komponenty pro doménu podvozku. Vzhledem k různé konfiguraci různých modelů stejné automobilky se bude výběr ECU oblasti podvozku lišit. Tyto rozdíly budou mít za následek různé požadavky na MCU pro doménu podvozku. Například Honda Accord používá tři čipy MCU domény podvozku a Audi Q7 používá asi 11 čipů MCU domény podvozku. V roce 2021 je výroba osobních automobilů čínské značky asi 10 milionů, z toho průměrná poptávka po doméně podvozku jízdních kol MCUS je 5 a celkový trh dosáhl asi 50 milionů. Hlavními dodavateli MCUS v celé oblasti podvozků jsou Infineon, NXP, Renesas, Microchip, TI a ST. Těchto pět mezinárodních prodejců polovodičů představuje více než 99 % trhu MCUS s doménou šasi.
(4) Průmyslové bariéry
Z klíčového technického hlediska komponenty podvozkové domény jako EPS, EPB, ESC úzce souvisejí s bezpečností života řidiče, takže úroveň funkční bezpečnosti podvozkové domény MCU je velmi vysoká, v podstatě ASIL-D požadavky na úroveň. Tato úroveň funkční bezpečnosti MCU je v Číně prázdná. Kromě úrovně funkční bezpečnosti mají aplikační scénáře podvozkových komponent velmi vysoké požadavky na frekvenci MCU, výpočetní výkon, kapacitu paměti, výkon periferií, periferní přesnost a další aspekty. MCU s doménou podvozku vytvořilo velmi vysokou průmyslovou bariéru, která vyžaduje, aby domácí výrobci MCU napadli a prolomili.
Z hlediska dodavatelského řetězce jsou vzhledem k požadavkům na vysokou frekvenci a vysoký výpočetní výkon pro řídicí čip komponent domény šasi kladeny poměrně vysoké požadavky na proces a proces výroby waferů. V současné době se zdá, že ke splnění požadavků na frekvenci MCU nad 200 MHz je zapotřebí alespoň 55nm proces. V tomto ohledu není domácí výrobní linka MCU kompletní a nedosáhla úrovně hromadné výroby. Mezinárodní výrobci polovodičů v podstatě převzali model IDM, pokud jde o slévárny destiček, v současnosti mají odpovídající schopnosti pouze TSMC, UMC a GF. Domácí výrobci čipů jsou všechny společnosti Fabless a ve výrobě waferů a zajišťování kapacity existují problémy a určitá rizika.
V základních počítačových scénářích, jako je autonomní řízení, se tradiční univerzální procesory obtížně přizpůsobují požadavkům na výpočetní techniku AI kvůli jejich nízké výpočetní efektivitě a čipy AI, jako jsou Gpus, FPgas a ASics, mají vynikající výkon na okraji a cloud s vlastní vlastnosti a jsou široce používány. Z pohledu technologických trendů bude GPU z krátkodobého hlediska stále dominantním čipem AI a z dlouhodobého hlediska je ASIC konečným směrem. Z pohledu tržních trendů si globální poptávka po AI čipech zachová rychlý růst a cloudové a okrajové čipy mají větší růstový potenciál a očekává se, že tempo růstu trhu bude v příštích pěti letech blízko 50 %. Přestože je základ domácí čipové technologie slabý, s rychlým nástupem aplikací AI vytváří rychlý objem poptávky po čipech AI příležitosti pro růst technologií a schopností místních čipových podniků. Autonomní řízení má přísné požadavky na výpočetní výkon, zpoždění a spolehlivost. V současnosti se většinou používají řešení GPU+FPGA. Očekává se, že díky stabilitě algoritmů a založené na datech získá ASics prostor na trhu.
Na čipu CPU je potřeba hodně místa pro predikci větví a optimalizaci, ukládání různých stavů, aby se snížila latence přepínání úloh. Díky tomu je také vhodnější pro logické řízení, sériový provoz a datový provoz obecného typu. Vezměte si GPU a CPU jako příklad, ve srovnání s CPU, GPU používá velké množství výpočetních jednotek a dlouhé potrubí, pouze velmi jednoduchou logiku ovládání a eliminuje mezipaměť. CPU nejen že zabírá hodně místa u Cache, ale má i složitou řídicí logiku a mnoho optimalizačních obvodů, ve srovnání s výpočetním výkonem je to jen malá část.
Řídicí čip domény napájení
Power domain controller je inteligentní jednotka pro správu pohonné jednotky. S CAN/FLEXRAY k dosažení správy převodovky, správy baterie, monitorování regulace alternátoru, používaného hlavně pro optimalizaci a řízení hnacího ústrojí, zatímco jak elektrická inteligentní diagnostika poruch, inteligentní úspora energie, komunikace po sběrnici a další funkce.
(1) Požadavky na pracovní místo
Řídicí MCU domény napájení může podporovat hlavní aplikace v oblasti napájení, jako je BMS, s následujícími požadavky:
· Vysoká hlavní frekvence, hlavní frekvence 600MHz~800MHz
· RAM 4 MB
· Požadavky na vysokou úroveň funkční bezpečnosti, mohou dosáhnout úrovně ASIL-D;
· Podpora vícekanálového CAN-FD;
· Podpora 2G Ethernet;
· Spolehlivost není nižší než AEC-Q100 Grade1;
· Podpora funkce ověření firmwaru (národní tajný algoritmus);
(2) Požadavky na výkon
Vysoký výkon: Produkt integruje dvoujádrový CPU Lock-step ARM Cortex R5 a 4MB SRAM na čipu pro podporu rostoucích požadavků na výpočetní výkon a paměť automobilových aplikací. CPU ARM Cortex-R5F až 800 MHz. Vysoká bezpečnost: Standard spolehlivosti vozidla AEC-Q100 dosahuje stupně 1 a úroveň funkční bezpečnosti ISO26262 dosahuje ASIL D. Dvoujádrový CPU lock step CPU může dosáhnout až 99% diagnostického pokrytí. Vestavěný modul zabezpečení informací integruje skutečný generátor náhodných čísel, AES, RSA, ECC, SHA a hardwarové akcelerátory, které splňují příslušné standardy státní a podnikové bezpečnosti. Integrace těchto funkcí zabezpečení informací může vyhovět potřebám aplikací, jako je bezpečné spuštění, bezpečná komunikace, zabezpečená aktualizace firmwaru a upgrade.
Čip pro kontrolu oblasti těla
Oblast těla je zodpovědná především za řízení různých funkcí těla. S vývojem vozidla je stále více také ovladač plochy karoserie, aby se snížily náklady na ovladač, snížila hmotnost vozidla, integrace potřebuje umístit všechna funkční zařízení, z přední části, uprostřed části vozu a zadní části vozu, jako je zadní brzdové světlo, zadní obrysové světlo, zámek zadních dveří a dokonce i dvojitá tyč sjednocené integrace do celkového ovladače.
Ovladač oblasti těla obecně integruje BCM, PEPS, TPMS, Gateway a další funkce, ale také může rozšířit nastavení sedadla, ovládání zpětných zrcátek, ovládání klimatizace a další funkce, komplexní a jednotné řízení každého aktuátoru, rozumné a efektivní přidělování systémových zdrojů . Funkce ovladače oblasti těla jsou četné, jak je znázorněno níže, ale nejsou omezeny na zde uvedené.
(1) Požadavky na pracovní místo
Hlavními požadavky automobilové elektroniky na řídicí čipy MCU jsou lepší stabilita, spolehlivost, bezpečnost, real-time a další technické vlastnosti, stejně jako vyšší výpočetní výkon a úložná kapacita a nižší požadavky na index spotřeby energie. Ovladač plochy karoserie postupně přešel z decentralizovaného funkčního nasazení na velký ovladač, který integruje všechny základní pohony elektroniky karoserie, klíčové funkce, světla, dveře, okna atd. Konstrukce systému ovládání oblasti karoserie integruje osvětlení, ostřikování stěračů, centrální ovládání dveřních zámků, Windows a další ovládací prvky, inteligentní klíče PEPS, správa napájení atd. Stejně jako brána CAN, rozšiřitelné CANFD a FLEXRAY, síť LIN, rozhraní Ethernet a technologie vývoje a návrhu modulů.
Obecně se pracovní požadavky výše uvedených řídicích funkcí pro hlavní řídicí čip MCU v oblasti těla promítají především do aspektů výpočetního a zpracovatelského výkonu, funkční integrace, komunikačního rozhraní a spolehlivosti. Pokud jde o specifické požadavky, v důsledku funkčních rozdílů v různých funkčních aplikačních scénářích v oblasti karoserie, jako jsou elektricky ovládaná okna, automatická sedadla, elektrické dveře zavazadlového prostoru a další aplikace karoserie, stále existují potřeby vysoce účinného řízení motoru, takové aplikace karoserie vyžadují MCU pro integraci elektronického řídicího algoritmu FOC a dalších funkcí. Navíc různé aplikační scénáře v oblasti těla mají různé požadavky na konfiguraci rozhraní čipu. Proto je obvykle nutné vybrat MCU oblasti těla podle funkčních a výkonnostních požadavků konkrétního scénáře aplikace a na tomto základě komplexně změřit nákladovou výkonnost produktu, schopnost dodávky a technický servis a další faktory.
(2) Požadavky na výkon
Hlavní referenční indikátory čipu MCU pro řízení oblasti těla jsou následující:
Výkon: ARM Cortex-M4F@ 144MHz, 180DMIPS, vestavěná 8KB instrukční mezipaměť mezipaměti, podpora spouštěcího programu akcelerační jednotky Flash 0 čekat.
Šifrovaná paměť s velkou kapacitou: až 512 kB eFlash, podpora šifrovaného úložiště, správa oddílů a ochrana dat, podpora ověření ECC, 100 000 vymazání, 10 let uchovávání dat; 144 kB SRAM, podpora hardwarové parity.
Integrovaná bohatá komunikační rozhraní: Podpora vícekanálových rozhraní GPIO, USART, UART, SPI, QSPI, I2C, SDIO, USB2.0, CAN 2.0B, EMAC, DVP a další.
Integrovaný vysoce výkonný simulátor: Podpora 12bitového 5Msps vysokorychlostního ADC, nezávislý operační zesilovač rail-to-rail, vysokorychlostní analogový komparátor, 12bitový 1Msps DAC; Podpora externího zdroje nezávislého referenčního napětí, vícekanálové kapacitní dotykové tlačítko; Vysokorychlostní ovladač DMA.
Podpora interního RC nebo externího vstupu krystalových hodin, vysoká spolehlivost resetu.
Vestavěné kalibrační hodiny reálného času RTC, podpora věčného kalendáře na přestupný rok, alarmové události, pravidelné buzení.
Podporujte vysoce přesné počítadlo časování.
Funkce zabezpečení na úrovni hardwaru: Hardwarová akcelerace šifrovacího algoritmu s podporou algoritmů AES, DES, TDES, SHA1/224/256, SM1, SM3, SM4, SM7, MD5; Šifrování flash úložiště, správa oddílů pro více uživatelů (MMU), generátor skutečných náhodných čísel TRNG, provoz CRC16/32; Podpora ochrany proti zápisu (WRP), více úrovní ochrany proti čtení (RDP) (L0/L1/L2); Podpora spuštění zabezpečení, stahování programového šifrování, aktualizace zabezpečení.
Podpora monitorování selhání hodin a monitorování proti demolici.
96bitové UID a 128bitové UCID.
Vysoce spolehlivé pracovní prostředí: 1,8V ~ 3,6V/-40℃ ~ 105℃.
(3) Průmyslový vzor
Elektronický systém pro oblast těla je v rané fázi růstu pro zahraniční i domácí podniky. Zahraniční podniky, jako jsou BCM, PEPS, dveře a okna, ovladače sedadel a další jednofunkční produkty, mají hlubokou technickou akumulaci, zatímco velké zahraniční společnosti mají široké pokrytí produktových řad, což jim pokládá základy pro produkty systémové integrace. . Tuzemské podniky mají určité výhody při aplikaci nové energetické karoserie. Vezměte si BYD jako příklad, v novém energetickém vozidle BYD je oblast těla rozdělena na levou a pravou oblast a produkt systémové integrace je přeuspořádán a definován. Z hlediska čipů pro ovládání plochy těla je však hlavním dodavatelem MCU stále Infineon, NXP, Renesas, Microchip, ST a další mezinárodní výrobci čipů a domácí výrobci čipů mají v současnosti nízký podíl na trhu.
(4) Průmyslové bariéry
Z hlediska komunikace existuje proces evoluce tradiční architektury – hybridní architektury – finální platformy Vehicle Computer Platform. Klíčová je změna komunikační rychlosti a také snížení ceny základního výpočetního výkonu s vysokou funkční bezpečností a v budoucnu je možné postupně realizovat kompatibilitu různých funkcí na elektronické úrovni základního regulátoru. Například ovladač oblasti těla může integrovat tradiční funkce BCM, PEPS a zvlnění proti sevření. Relativně řečeno, technické bariéry čipu pro ovládání oblasti těla jsou nižší než oblast výkonu, oblast kokpitu atd. a očekává se, že domácí čipy se ujmou vedení při velkém průlomu v oblasti těla a postupně realizují domácí substituci. V posledních letech má domácí MCU na trhu přední a zadní montáže v oblasti karoserie velmi dobrou dynamiku vývoje.
Ovládací čip v kokpitu
Elektrifikace, inteligence a síťové propojení urychlily vývoj automobilové elektronické a elektrické architektury směrem k doménovému řízení a kokpit se také rychle vyvíjí od audio a video zábavního systému vozidla k inteligentnímu kokpitu. Kokpit je prezentován s interakčním rozhraním člověk-počítač, ale ať už se jedná o předchozí informační a zábavní systém nebo současný inteligentní kokpit, kromě výkonného SOC s výpočetní rychlostí potřebuje také MCU s vysokým výkonem v reálném čase, aby se s tím vypořádal. interakce dat s vozidlem. Postupná popularizace softwarově definovaných vozidel, OTA a Autosar v inteligentním kokpitu zvyšuje požadavky na zdroje MCU v kokpitu. Specificky se odráží ve zvyšující se poptávce po kapacitě FLASH a RAM, poptávka po počtu PIN se také zvyšuje, složitější funkce vyžadují silnější možnosti provádění programu, ale mají také bohatší rozhraní sběrnice.
(1) Požadavky na pracovní místo
MCU v prostoru kabiny realizuje především správu napájení systému, správu časování zapnutí, správu sítě, diagnostiku, interakci s daty vozidla, klíč, správu podsvícení, správu audio DSP/FM modulů, správu systémového času a další funkce.
Požadavky na zdroje MCU:
· Hlavní frekvence a výpočetní výkon mají určité požadavky, hlavní frekvence není menší než 100 MHz a výpočetní výkon není menší než 200 DMIPS;
· Úložný prostor Flash není menší než 1 MB, s kódem Flash a fyzickým oddílem Flash dat;
· RAM ne méně než 128 kB;
· Požadavky na vysokou úroveň funkční bezpečnosti, mohou dosáhnout úrovně ASIL-B;
· Podpora vícekanálového ADC;
· Podpora vícekanálového CAN-FD;
· Regulace vozidla Stupeň AEC-Q100 Stupeň1;
· Podpora online upgradu (OTA), podpora Flash duální banky;
· Pro podporu bezpečného spuštění je vyžadován šifrovací modul SHE/HSM-light a vyšší;
· Počet pinů není menší než 100 PIN;
(2) Požadavky na výkon
IO podporuje širokonapěťové napájení (5,5V~2,7V), IO port podporuje použití přepětí;
Mnoho signálových vstupů kolísá podle napětí napájecí baterie a může dojít k přepětí. Přepětí může zlepšit stabilitu a spolehlivost systému.
Životnost paměti:
Životní cyklus automobilu je více než 10 let, takže úložiště programu MCU automobilu a úložiště dat musí mít delší životnost. Programové úložiště a datové úložiště musí mít oddělené fyzické oddíly a programové úložiště musí být vymazáno méněkrát, takže výdrž > 10 kB, zatímco datové úložiště musí být vymazáno častěji, takže musí mít větší počet vymazání . Viz indikátor datového blesku Výdrž>100K, 15 let (<1K). 10 let (<100K).
rozhraní komunikační sběrnice;
Komunikační zátěž sběrnice na vozidle je stále vyšší a vyšší, takže tradiční CAN CAN již nevyhovuje komunikačním požadavkům, poptávka po vysokorychlostní sběrnici CAN-FD je stále vyšší a vyšší, podpora CAN-FD se postupně stala standardem MCU .
(3) Průmyslový vzor
V současné době je podíl domácích MCU chytré kabiny stále velmi nízký a hlavními dodavateli jsou stále NXP, Renesas, Infineon, ST, Microchip a další mezinárodní výrobci MCU. Řada domácích výrobců MCU byla v rozložení, výkon na trhu se teprve uvidí.
(4) Průmyslové bariéry
Úroveň regulace inteligentního kabinového vozu a úroveň funkční bezpečnosti nejsou relativně příliš vysoké, především z důvodu nahromadění know-how a potřeby neustálého opakování a zlepšování produktu. Zároveň, protože v domácích továrnách není mnoho výrobních linek MCU, je tento proces relativně zaostalý a dosažení národního výrobního dodavatelského řetězce trvá určitou dobu a mohou být vyšší náklady a konkurenční tlak s mezinárodních výrobců je větší.
Aplikace domácího kontrolního čipu
Čipy pro ovládání automobilů jsou založeny hlavně na MCU automobilů, přední domácí podniky, jako jsou Ziguang Guowei, Huada Semiconductor, Shanghai Xinti, Zhaoyi Innovation, Jiefa Technology, Xinchi Technology, Beijing Junzheng, Shenzhen Xihua, Shanghai Qipuwei, National Technology atd. produktové sekvence MCU v automobilovém měřítku, benchmark zámořských obřích produktů, aktuálně založených na architektuře ARM. Některé podniky také prováděly výzkum a vývoj architektury RISC-V.
V současné době se čip pro ovládání domácích vozidel používá hlavně na automobilovém trhu s předním nakládáním a byl aplikován na automobil v doméně karoserie a infotainmentu, zatímco v oblasti podvozku, výkonu a dalších oblastech mu stále dominuje zámořští giganti čipů, jako jsou stmicroelectronics, NXP, Texas Instruments a Microchip Semiconductor, a jen několik domácích podniků realizovalo aplikace hromadné výroby. V současné době domácí výrobce čipů Chipchi uvede v dubnu 2022 vysoce výkonné produkty řady řídicích čipů E3 založené na ARM Cortex-R5F, s úrovní funkční bezpečnosti dosahující ASIL D, teplotní úrovní podporující AEC-Q100 Grade 1, CPU frekvence až 800 MHz. , s až 6 jádry CPU. Jedná se o produkt s nejvyšším výkonem ve stávající sériově vyráběné MCU s měřidly vozidel, který vyplňuje mezeru na domácím trhu MCU s vysokou úrovní bezpečnosti vozidel, s vysokým výkonem a vysokou spolehlivostí, může být použit v BMS, ADAS, VCU, -drátový podvozek, přístroj, HUD, inteligentní zpětné zrcátko a další základní ovládací pole vozidla. Více než 100 zákazníků přijalo E3 pro návrh produktů, včetně GAC, Geely atd.
Aplikace základních produktů domácího regulátoru
Čas odeslání: 19. července 2023
