汽車行業正在從傳統汽車向軟件定義汽車（SDV）轉變。軟件定義，是將傳統的硬件依賴性任務轉移到軟件上，以實現更靈活、可編程和自動化的解決方案。預計到2030年，軟件預計將占新車價值的50%。對于消費者來說，軟件定義汽車能夠帶來的最大好處將是更高的安全性、便利性和性能——以及不斷提升的駕駛體驗。對于整車廠來說，軟件定義汽車能夠帶來的最大好處將是在汽車整個生命周期中與駕駛者建立更加緊密的關系，實現品牌駕駛和體驗的差異化。最直觀的體驗是，作為系統的數字核心，MCU將進行巨大革新，以適應軟件定義汽車的未來，這其中的關鍵是由功能域架構（Domain）向區域架構（Zone）的轉變。如今軟件和硬件的迭代周期不同，且軟件迭代越來越快，傳統開發模式已經等不及硬件的更新了。而通過區域架構的設計，可以促進軟硬解耦，區域架構將推進傳感器與執行器等標準化、通用化，從而在多個平臺車型復用，而位于中央計算平臺的軟件可獨立于硬件快速迭代，以滿足軟件定義汽車時代功能的快速開發。此外，區域架構還可以減少ECU的數量和線束的長度。這種硬件的便利性降低了車輛電氣架構的復雜性及設計驗證周期。區域架構將使OEM在中央計算平臺上具有高層級軟件的主導控制權，包括OTA(Over-the-air)，FOTA(Firmware-over-the-air)以及車聯網及自動駕駛，從而促進OEM向面向服務的架構SOA轉型。這些演進及挑戰，將對MCU開發帶來大調整，不只是域控，也給包括網關、節點等領域帶來了不少挑戰，從延遲到安全性，從處理到可擴展性，方方面面的革新。 以下我們就來盤點一下六大MCU/SoC車廠對于軟件定義汽車的理解和布局。英飛凌AURIX TC4可以說是集大成的MCU，適用于下一代eMobility、ADAS、汽車 E/E 架構和人工智能（AI）。
AURIX TriCore 在單個MCU中集成了一個RISC處理器內核、一個微控制器和一個DSP。基于TriCore 的產品在汽車中的應用非常廣泛，包括內燃機控制、純電動和混合動力汽車、變速器控制單元、底盤域、制動系統、電動轉向系統、安全氣囊、聯網和高級駕駛輔助系統，并推動著自動化，電動化以及網聯化的發展。基于可擴展的系列概念，TC4x可以提供多達 6 個鎖步（LS）的 TriCore1.8 內核，在高達 500 MHz 的主頻下同步運行，帶來了 TC4x 性能的飛躍。配置不同大小的 NVM，滿足各類應用要求，且支持零停機時間 SOTA。 片上集成的并行處理單元（PPU；矢量 DSP 協處理器）大大減少了基于模型的復雜算法所需要的計算時間，實現了符合 ASIL-D 安全等級要求的邊緣人工智能（AI-on-the-edge）。新增加的基于轉換器-數字信號處理器（cDSP）的濾波器讓 ADC 信號的靈活數字處理成為可能。 TC4x 的實時控制功能得益于其增強的定時器（eGTM）、高分辨率 PWM 和優化的 ADC，并通過現有的低延遲互連總線（LLI）實現三者間的通信。 AURIXTM TC4x 將符合最新的信息安全 ISO/SAE 21434 和功能安全 ISO 26262 標準。這一前沿的安全概念解決了快速安全通信的性能瓶頸，并支持后量子加密處理。量子攻擊正在對目前所使用的加密方式構成威脅，而 TC4x 則加強了對量子計算機攻擊的保護。虛擬機管理軟件和虛擬機保障了多個軟件應用程序的安全隔離，并確保其互不干擾（FFI）。最后，借助數據路由引擎（DRE）和高速通信接口，如5Gbps以太網、PCIe、10BASE-T1S以太網和CANXL，TC4x廣泛且可拓展的連接功能也為汽車E/E架構的進一步升級提供了空間。Auto PSoC - 可編程片上系統，集成了英飛凌一流的電容式感應技術，適用于汽車內部要求嚴格的人機界面 (HMI) 應用以及電池管理系統 (BMS) 等外部應用，以及 ARM Cortex-M0/M0+ CPU、閃存和內存。可編程模擬前端帶有 ADC、運算放大器、低功耗比較器以及數字模塊和各種通信接口（如 SENT、LIN、CAN 和 CAN FD），可提供集成度高、占用空間小的單芯片智能傳感器。 TRAVEO T2G 適用于汽車車身電子以及儀表盤的應用。該系列微控制器內置于單個 Arm Cortex- M4F 和雙 Cortex- M7F 中，具有強大的處理能力和網絡連接能力，在 Traveo T2G 中可將性能提升至 1500 DMIPS。該系列還提供了跨內存大小和引腳數的可擴展性。IP 兼容性使客戶能夠使用單一平臺 MCU 解決方案設計和開發他們的系統。 Traveo T2G 設備具有先進的安全功能，引入了 HSM（硬件安全模塊）、用于安全處理的專用 Cortex-M0+ 和雙存儲體模式的嵌入式閃存，以滿足固件空中更新 (FOTA) 要求。應對軟件定義汽車，恩智浦直接推出了名為S32 CoreRide的平臺，不僅匯集了恩智浦成熟的S32計算、網絡、系統電源管理技術，還整合了來自恩智浦廣泛的軟件生態合作伙伴的可立即部署的軟件，包括中間件、操作系統和其他軟件。恩智浦CoreRide平臺優化集成流程，提升可擴展性，消除開發中的繁瑣障礙。恩智浦汽車平臺全部轉換成了S32，涵蓋從90nm到最新5nm的S32N。S32N處理器配備了先進的硬件安全引擎和多端口以太網交換機，同時提供以太網數據包加速、AI/ML加速以及高性價比的PCI Express計算間通信服務。S32N55處理器在安全、集中、實時汽車控制方面表現出色，實現這種控制需要高性能、確定性計算能力來支持最高級別的功能安全。通過軟件定義的硬件強制隔離，S32N55可以承載數十種具有不同重要性級別的汽車功能，同時避免不同功能間的干擾。 汽車動力系統、底盤控制、車身和其他核心汽車功能一直作為獨立的電子控制單元（ECU）實現，每個單元都有自己的微控制器和布線。現在，多種汽車功能可以安全地整合到具有多個隔離執行環境的S32N55處理器中，突破SDV集成障礙。瑞薩目前全面的車規級MCU組合，涵蓋高中低不同應用。順道這里辟謠一下前幾天炒作瑞薩要退出RH850市場，實際上瑞薩一直以來都將RH850用于區域/域微控制器的主力產品，且延伸到了多領域，也有產品演進的路書。值得一提的是，今年11月，瑞薩與尼得科率先在全球范圍內推出用于電動汽車（EV）驅動電機系統（E-Axle）的“8合1”概念驗證（PoC）方案——通過單個微控制器（MCU）即可控制八項功能，該產品正是采用了瑞薩的RH850/U2B。除尼得科的電機和齒輪外，該PoC中的功能還包括瑞薩的逆變器（輸出功率70至100kW，最高效率可達99%或更高）、1.5kWDC/DC轉換器、6.6kW OBC、配電單元（PDU）、電池管理系統（BMS）以及汽車PTC加熱控制器。 不過，瑞薩第5代R-Car產品家族將會發生重大變化，均圍繞基于Arm內核的計算引擎構建，包括高性能64位SoC、32位跨界MCU、和比同類性能更佳的16位MCU。根據瑞薩的規劃，“將帶來更多基于Arm內核的32位MCU，具備GHz級實時吞吐量、快速啟動性能，和嵌入式非易失性存儲器，可管理用于域和區域控制應用的電子控制模塊。此外，這些產品還包括一個擴展的“跨界”選項，可填補 SoC與傳統32位MCU間的性能差距。”瑞薩最近推出了R-Car X5系列，單個芯片可同時支持多個汽車功能域，包括高級駕駛輔助系統（ADAS）、車載信息娛樂系統（IVI）以及網關應用在內的多個車載應用。備受期待的R-Car X5H SoC作為R-Car X5系列中的首款產品，采用先進的3nm車規級工藝，擁有高集成度與出色性能，推動OEM和一級供應商向集中式電子控制單元（ECU）的轉型，簡化開發流程，打造面向未來的系統解決方案。得益于其獨特的硬件隔離技術，瑞薩R-Car X5H SoC成為業界率先在單個芯片上實現同時支持多個車載功能域的高度集成及安全處理的解決方案之一。此外，這款全新的SoC還提供通過Chiplet（小芯片封裝）技術擴展人工智能（AI）和圖形處理性能的選項。Car X5H直面在軟件定義汽車（SDV）開發中日益增長的復雜性難題，可克服包括優化計算性能、功耗、成本、硬件和軟件集成在內的相關挑戰，同時確保車輛安全。通過在單個芯片上緊密結合應用處理、實時處理、GPU和AI計算、大型顯示功能和傳感器連接功能，使得自動駕駛、IVI以及網關等應用提高到一個新的級別。 全新SoC系列實現高達400TOPS的AI算力和業界卓越的TOPS/W性能，同時支持高達4TFLOPS的GPU處理能力。其搭載總計32個用于應用處理的Arm Cortex-A720AE CPU內核，提供超過1,000K DMIPS的CPU算力。產品還配備6個Arm Cortex-R52雙鎖步CPU內核，實現超過60K DMIPS的性能，無需外部微控制器（MCU）即可支持ASIL D功能。該系列SoC采用臺積電最先進的工藝節點之一制造，在達到更高CPU性能的同時，功耗卻比5nm工藝節點設計的產品降低30-35%。ST最新一代汽車微控制器是Stellar系列，涵蓋了從低端到高端解決方案的整個汽車MCU領域。這些先進的微控制器降低了復雜性，確保了安全性，并為下一代汽車架構和功能提供了最佳性能和效率。客戶可以從更短的開發時間中受益，并專注于在這個競爭激烈的市場中為其軟件定義汽車(SDV)帶來創新和差異化。Stellar系列針對電氣化進行了優化，包括X-in-1車輛運動控制計算、新車輛架構、分區和域以及用于ADAS等安全關鍵子系統的安全MCU。Stellar通過將多種功能安全地集成到單個設備中并允許在車輛中不斷集成新功能，全面支持汽車轉型。這得益于Stellar多項關鍵技術的選擇，包括內核技術、虛擬化、以太網支持和內存。Stellar MCU 基于Arm??Cortex? -R52+ 技術。這款高性能處理器為時間關鍵型安全系統提供實時虛擬化支持。它可以同時運行多個應用程序，不受干擾。而且由于完全可編程的輔助內核，可以加速特定功能，例如路由、低功耗管理、數字濾波，同時卸載主內核。Stellar P專為集成多種功能而設計，而Stellar G則用于實現軟件定義汽車 (SDV) 區域控制器，這兩個系列都利用了 ST 內部開發的 eNVM。它們基于 28nm FD-SOI 技術構建，使其能夠以更低的功耗和增強的輻射抗擾度實現最大頻率。Stellar MCU 具有嵌入式相變存儲器(PCM) 技術及其靈活性，徹底改變了OTA的過程。在汽車行業，OTA 更新對于在無需物理干預的情況下添加新功能和安全補丁至關重要。然而，這種靈活性通常需要仔細考慮未來的內存需求，這可能會導致成本增加和規劃復雜化。ST 的 PCM 創新不是普通的內存。它不僅是業界最小的汽車 MCU 內存單元，而且開創了汽車領域的變革性突破，并將重新定義汽車軟件的可能性。此外，PCM 還支持不間斷的 OTA 更新。PCM 可以安全地存儲更新，而不會影響車輛的當前運行。得益于并發讀寫功能，新軟件下載不會干擾 MCU 上已運行的應用程序代碼，從而確保更新過程中的持續性能。STM32A則是將成本優化、簡單性和可靠性而廣受認可業界流行通用MCU延伸至汽車級，具有汽車級質量和安全性，將達到 ASIL B 標準。該平臺將設計用于處理邊緣驅動，從最簡單的功能到更復雜的單個任務，所有這些都以優化的成本完成。它將特別適合汽車系統中的電機控制等應用，包括車窗、后視鏡和車頂。德州儀器表示，在單個區域模塊中集成不同的邏輯 I/O 功能（包括控制環路），意味著該模塊要滿足每個 I/O 功能的各項要求，從而產生這些針對 MCU 的特定要求。? 通過虛擬化為具有不同汽車安全完整性級別的功能提供混合重要性支持 ? 多個低端通信外設（例如 CAN FD 或 LIN）實例，用于連接智能傳感器和執行器為了滿足這一多樣化的要求，MCU需要支持區域模塊驅動的要求。同時，TI 提供具有足夠實時功能的異構片上系統SoC，例如 DRA821 或 AM2x 嵌入式處理器，此類 SoC 可以在經過優化的區域MCU推出之前彌合這一差距。 另外，TI最近也推出了64位C29x內核，將汽車電機和電源控制系統中常用的C2000提升到了64位。C29 內核的創新包括:
重新設計的平臺：VLIW 架構與全面保護式流水線結合，支持并行執行最多八條指令。
新編譯器：通過基于 LLVM/Clang 的編譯器提升性能
重新設計的中斷性能：硬件支持實時中斷的快速自動背景保存和恢復。新的中斷控制器
增強的平臺性能：采用低延遲存儲器和外設互連設計，具有內置功能安全和信息安全機制
C29x極大提升了處理性能和安全，實現DC/DC以及主機的多合一集成式架構、多電機的牽引逆變器等適配區域控制特性的MCU。近兩年新推的MSPM0的車規級產品，同樣也是應用于邊緣驅動，補充區域架構的節點覆蓋。經過AEC-Q100認證的MSPM0，可應用于包括門窗、座椅加熱、車載充電器、顯示屏旋轉控制等領域。
Microchip今年推出了dsPIC數字信號控制器系列新內核，dsPIC33A系列的先進內核采用32位CPU架構，運行速度為200 MHz，包括雙精度浮點運算單元和 DSP 指令，適用于許多閉環控制算法中的數值密集型任務。dsPIC33A DSC經過優化改進，數學和數據處理能力更強，代碼效率更高，上下文切換更快，延遲更短。這種更低的延遲可加快對瞬態和安全關鍵事件的響應速度。新外設和升級外設（如專為電機控制和數字電源轉換設計的高分辨率PWM）旨在支持汽車、工業、消費、電動出行、數據中心和可持續解決方案等各種市場的漸進式技術開發。dsPIC33A器件系列具有閃存安全功能，包括不可變信任根、安全調試和受限內存訪問。DSC的指令集架構（ISA）支持采用基于模型的設計生成的軟件代碼，從而簡化了代碼生成。dsPIC33A DSC功能全面，非常適合需要高效電機控制的風扇、泵和壓縮機應用；它們還能管理人工智能服務器和電動汽車車載充電器等應用的數字電源轉換，并支持工業和汽車應用的傳感器接口。
軟件定義汽車的基礎是區域架構，這就要求需要新的解決方案來克服配電、傳感器和執行器以及數據通信方面的挑戰，其中處理器是一個關鍵要素。無論如何，解決方案并不會同時突然出現，而是在不斷地發展演變，并隨著時間的推移在商機成熟時引入變化，盡可能降低因太早推出所造成的風險。車身域及其許多分布式執行器和傳感器ECU將是最先移至區域架構的一些域，即將傳感器、執行器、區域模塊和數據鏈路的理想標準化組件組合在一起。這種方式下，對于汽車MCU廠商而言無疑是一項重要挑戰。甚至當軟硬件解耦之后，汽車MCU的開發模式也將發生改變。我們也看到今年幾大MCU廠商的創新，無論是更高性能、更高安全、更豐富的產品組合與路書，并且開發文檔更為豐富，甚至引入了更流行的虛擬開發方式，這些都是為了加速區域架構開發所必須的。 喜歡我們的文章嗎？歡迎在微信關注我們的訂閱號：汽車開發圈（ID：AutoDevelopers），瀏覽更多汽車電子相關內容。
關鍵字：MCU 軟件定義汽車
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六大汽車MCU公司如何布局軟件定義汽車？
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