Introdução ao chip de classe de controle
O chip de controle refere-se principalmente à MCU (Unidade de Microcontrolador), ou seja, o microcontrolador, também conhecido como chip único, que reduz a frequência e as especificações da CPU de forma adequada, integrando memória, temporizador, conversão A/D, relógio, porta de E/S e comunicação serial, entre outros módulos e interfaces funcionais em um único chip. Realizando a função de controle do terminal, possui as vantagens de alto desempenho, baixo consumo de energia, programável e alta flexibilidade.
Diagrama MCU do nível do medidor do veículo
A indústria automotiva é uma área de aplicação muito importante para MCUs. De acordo com dados da IC Insights, em 2019, a aplicação global de MCUs em eletrônica automotiva representou cerca de 33%. O número de MCUs usados por cada carro em modelos de ponta é próximo a 100, desde computadores de direção e instrumentos LCD até motores, chassis e componentes grandes e pequenos do carro que precisam de controle por MCU.
No início, os MCUS de 8 e 16 bits eram usados principalmente em automóveis, mas com o contínuo aprimoramento da eletronização e da inteligência automotiva, o número e a qualidade dos MCUS necessários também aumentaram. Atualmente, a proporção de MCUS de 32 bits em MCUS automotivos atingiu cerca de 60%, dos quais o kernel da série Cortex da ARM, devido ao seu baixo custo e excelente controle de potência, é a principal escolha dos fabricantes de MCU automotivos.
Os principais parâmetros do MCU automotivo incluem tensão operacional, frequência operacional, capacidade de Flash e RAM, módulo temporizador e número de canal, módulo ADC e número de canal, tipo e número de interface de comunicação serial, número de porta de E/S de entrada e saída, temperatura operacional, formato do pacote e nível de segurança funcional.
Dividido por bits de CPU, o MCUS automotivo pode ser dividido principalmente em 8 bits, 16 bits e 32 bits. Com a atualização do processo, o custo do MCUS de 32 bits continua caindo, tornando-se o principal, substituindo gradualmente as aplicações e os mercados dominados pelo MCUS de 8/16 bits no passado.
Se dividida de acordo com o campo de aplicação, a MCU automotiva pode ser dividida em domínio da carroceria, domínio da potência, domínio do chassi, domínio do cockpit e domínio da direção inteligente. Para o domínio do cockpit e o domínio da direção inteligente, a MCU precisa ter alto poder de computação e interfaces de comunicação externa de alta velocidade, como CAN FD e Ethernet. O domínio da carroceria também requer um grande número de interfaces de comunicação externa, mas os requisitos de poder de computação da MCU são relativamente baixos, enquanto os domínios da potência e do chassi exigem temperaturas de operação e níveis de segurança funcional mais elevados.
Chip de controle de domínio do chassi
O domínio do chassi está relacionado à condução do veículo e é composto pelos sistemas de transmissão, direção, direção e freios. É composto por cinco subsistemas: direção, freios, câmbio, acelerador e suspensão. Com o desenvolvimento da inteligência automotiva, o reconhecimento de percepção, o planejamento de decisões e a execução do controle de veículos inteligentes são os sistemas centrais do domínio do chassi. Direção eletrônica e drive-by-wire são os componentes centrais para a parte executiva da condução automática.
(1) Requisitos do trabalho
A ECU do domínio do chassi utiliza uma plataforma de segurança funcional escalável e de alto desempenho, além de suportar agrupamento de sensores e sensores inerciais multieixos. Com base neste cenário de aplicação, os seguintes requisitos são propostos para a MCU do domínio do chassi:
· Requisitos de alta frequência e alta potência de computação, a frequência principal não é inferior a 200 MHz e a potência de computação não é inferior a 300 DMIPS
· O espaço de armazenamento Flash não é inferior a 2 MB, com partição física Flash de código e Flash de dados;
· RAM não inferior a 512 KB;
· Altos requisitos de segurança funcional, podendo atingir o nível ASIL-D;
· Suporte ADC de precisão de 12 bits;
· Suporta temporizador de alta precisão e alta sincronização de 32 bits;
· Suporte CAN-FD multicanal;
· Suporte a não menos que 100M Ethernet;
· Confiabilidade não inferior a AEC-Q100 Grau 1;
· Suporte para atualização on-line (OTA);
· Suporte à função de verificação de firmware (algoritmo secreto nacional);
(2) Requisitos de desempenho
· Parte do kernel:
I. Frequência do núcleo: ou seja, a frequência do clock quando o kernel está em operação, que é usada para representar a velocidade da oscilação do sinal de pulso digital do kernel, e a frequência principal não pode representar diretamente a velocidade de cálculo do kernel. A velocidade de operação do kernel também está relacionada ao pipeline do kernel, cache, conjunto de instruções, etc.
II. Poder de computação: O DMIPS geralmente pode ser usado para avaliação. DMIPS é uma unidade que mede o desempenho relativo do programa de benchmark integrado do MCU quando ele é testado.
· Parâmetros de memória:
I. Memória de código: memória usada para armazenar código;
II. Memória de dados: memória utilizada para armazenar dados;
III.RAM: Memória usada para armazenar dados e códigos temporários.
· Barramento de comunicação: incluindo barramento especial para automóveis e barramento de comunicação convencional;
· Periféricos de alta precisão;
· Temperatura de operação;
(3) Padrão industrial
Como a arquitetura elétrica e eletrônica usada por diferentes montadoras varia, os requisitos de componentes para o domínio do chassi também variam. Devido à configuração diferente de diferentes modelos da mesma fábrica de automóveis, a seleção da ECU da área do chassi será diferente. Essas distinções resultarão em diferentes requisitos de MCU para o domínio do chassi. Por exemplo, o Honda Accord usa três chips MCU de domínio do chassi, e o Audi Q7 usa cerca de 11 chips MCU de domínio do chassi. Em 2021, a produção de automóveis de passageiros de marcas chinesas é de cerca de 10 milhões, dos quais a demanda média por MCUS de domínio do chassi de bicicleta é de 5, e o mercado total atingiu cerca de 50 milhões. Os principais fornecedores de MCUS em todo o domínio do chassi são Infineon, NXP, Renesas, Microchip, TI e ST. Esses cinco fornecedores internacionais de semicondutores respondem por mais de 99% do mercado de MCUS de domínio do chassi.
(4) Barreiras da indústria
Do ponto de vista técnico fundamental, os componentes do domínio do chassi, como EPS, EPB e ESC, estão intimamente relacionados à segurança do motorista. Portanto, o nível de segurança funcional do MCU do domínio do chassi é muito alto, basicamente atendendo aos requisitos de nível ASIL-D. Este nível de segurança funcional do MCU é inexpressivo na China. Além do nível de segurança funcional, os cenários de aplicação dos componentes do chassi têm requisitos muito altos para frequência do MCU, potência de processamento, capacidade de memória, desempenho periférico, precisão periférica e outros aspectos. O MCU do domínio do chassi constitui uma barreira industrial muito alta, que precisa ser desafiada e superada pelos fabricantes nacionais de MCU.
Em termos de cadeia de suprimentos, devido aos requisitos de alta frequência e alto poder de processamento para o chip de controle dos componentes do domínio do chassi, requisitos relativamente altos são apresentados para o processo e processo de produção de wafers. Atualmente, parece que pelo menos um processo de 55 nm é necessário para atender aos requisitos de frequência do MCU acima de 200 MHz. Nesse sentido, a linha de produção nacional de MCUs não está completa e não atingiu o nível de produção em massa. Os fabricantes internacionais de semicondutores adotaram basicamente o modelo IDM, em termos de fundições de wafer, atualmente apenas TSMC, UMC e GF possuem as capacidades correspondentes. Os fabricantes nacionais de chips são todos empresas sem fábrica, e existem desafios e certos riscos na fabricação de wafers e na garantia de capacidade.
Em cenários de computação central, como a condução autônoma, as CPUs tradicionais de uso geral são difíceis de adaptar aos requisitos de computação de IA devido à sua baixa eficiência computacional, e chips de IA como GPUs, FPgas e ASics apresentam excelente desempenho na borda e na nuvem com suas próprias características e são amplamente utilizados. Da perspectiva das tendências tecnológicas, a GPU continuará sendo o chip de IA dominante no curto prazo e, no longo prazo, o ASIC é a direção definitiva. Da perspectiva das tendências de mercado, a demanda global por chips de IA manterá um rápido ritmo de crescimento, e os chips de nuvem e de borda têm maior potencial de crescimento, e a taxa de crescimento do mercado deve ser próxima a 50% nos próximos cinco anos. Embora a base da tecnologia de chips doméstica seja fraca, com o rápido desenvolvimento das aplicações de IA, o rápido volume da demanda por chips de IA cria oportunidades para o crescimento tecnológico e de capacidade das empresas locais de chips. A condução autônoma possui requisitos rigorosos de poder de computação, atraso e confiabilidade. Atualmente, as soluções GPU + FPGA são as mais utilizadas. Com a estabilidade dos algoritmos e a orientação por dados, espera-se que os ASics ganhem espaço no mercado.
O chip da CPU precisa de muito espaço para previsão e otimização de ramificações, salvando vários estados e reduzindo a latência na troca de tarefas. Isso também o torna mais adequado para controle lógico, operação serial e operações de dados em geral. Considerando a GPU e a CPU como exemplo, em comparação com a CPU, a GPU utiliza um grande número de unidades de computação e um pipeline longo, com uma lógica de controle muito simples e sem cache. A CPU não só ocupa muito espaço devido ao cache, como também possui uma lógica de controle complexa e muitos circuitos de otimização, com um poder de computação muito pequeno.
Chip de controle de domínio de potência
O Controlador de Domínio de Potência é uma unidade inteligente de gerenciamento do trem de força. Com CAN/FLEXRAY, ele realiza o gerenciamento da transmissão, gerenciamento da bateria e monitoramento da regulação do alternador, sendo usado principalmente para otimização e controle do trem de força, além de diagnóstico inteligente de falhas elétricas, economia de energia inteligente, comunicação de barramento e outras funções.
(1) Requisitos do trabalho
O MCU de controle de domínio de energia pode suportar as principais aplicações em energia, como BMS, com os seguintes requisitos:
· Alta frequência principal, frequência principal 600MHz~800MHz
· RAM 4 MB
· Altos requisitos de segurança funcional, podendo atingir o nível ASIL-D;
· Suporte CAN-FD multicanal;
· Suporte Ethernet 2G;
· Confiabilidade não inferior a AEC-Q100 Grau 1;
· Suporte à função de verificação de firmware (algoritmo secreto nacional);
(2) Requisitos de desempenho
Alto desempenho: O produto integra a CPU dual-core lock-step ARM Cortex R5 e 4 MB de SRAM on-chip para suportar o crescente poder de computação e os requisitos de memória de aplicações automotivas. CPU ARM Cortex-R5F de até 800 MHz. Alta segurança: O padrão de confiabilidade de especificação de veículo AEC-Q100 atinge o Grau 1, e o nível de segurança funcional ISO26262 atinge o ASIL D. A CPU dual-core lock-step pode atingir até 99% de cobertura de diagnóstico. O módulo de segurança da informação integrado integra gerador de números aleatórios verdadeiros, AES, RSA, ECC, SHA e aceleradores de hardware que atendem aos padrões relevantes de segurança estatal e empresarial. A integração dessas funções de segurança da informação pode atender às necessidades de aplicações como inicialização segura, comunicação segura, atualização e atualização seguras de firmware.
Chip de controle de área corporal
A área da carroceria é a principal responsável pelo controle de diversas funções da carroceria. Com o desenvolvimento dos veículos, o controlador da área da carroceria também se tornou cada vez mais utilizado. Para reduzir o custo do controlador e o peso do veículo, é necessário integrar todos os dispositivos funcionais, desde a parte frontal, central e traseira do veículo, como a luz de freio traseira, a luz de posição traseira, a trava da porta traseira e até mesmo a haste de suspensão dupla, em um único controlador.
O controlador de área da carroceria geralmente integra BCM, PEPS, TPMS, Gateway e outras funções, mas também pode expandir o ajuste do assento, o controle do espelho retrovisor, o controle do ar condicionado e outras funções, além de gerenciar de forma abrangente e unificada cada atuador e alocar recursos do sistema de forma razoável e eficaz. As funções de um controlador de área da carroceria são inúmeras, como mostrado abaixo, mas não se limitam às listadas aqui.
(1) Requisitos do trabalho
As principais demandas da eletrônica automotiva por chips de controle MCU são maior estabilidade, confiabilidade, segurança, tempo real e outras características técnicas, além de maior desempenho computacional e capacidade de armazenamento, além de menores requisitos de índice de consumo de energia. O controlador de área da carroceria passou gradualmente de uma implantação funcional descentralizada para um controlador de grande porte que integra todos os acionamentos básicos da eletrônica da carroceria, funções de teclas, luzes, portas, janelas, etc. O projeto do sistema de controle de área da carroceria integra iluminação, lavagem do limpador de para-brisa, controle centralizado de travas de portas, janelas e outros controles, chaves inteligentes PEPS, gerenciamento de energia, etc. Além de gateway CAN, CANFD extensível e FLEXRAY, rede LIN, interface Ethernet e tecnologia de desenvolvimento e projeto de módulos.
Em geral, os requisitos de trabalho das funções de controle acima mencionadas para o chip de controle principal da MCU na área da carroceria refletem-se principalmente nos aspectos de desempenho de computação e processamento, integração funcional, interface de comunicação e confiabilidade. Em termos de requisitos específicos, devido às diferenças funcionais em diferentes cenários de aplicação funcional na área da carroceria, como vidros elétricos, bancos automáticos, porta traseira elétrica e outras aplicações de carroceria, ainda há necessidades de controle de motor de alta eficiência. Tais aplicações de carroceria exigem que a MCU integre o algoritmo de controle eletrônico FOC e outras funções. Além disso, diferentes cenários de aplicação na área da carroceria têm diferentes requisitos para a configuração da interface do chip. Portanto, geralmente é necessário selecionar a MCU da área da carroceria de acordo com os requisitos funcionais e de desempenho do cenário de aplicação específico e, com base nisso, medir de forma abrangente o desempenho de custo do produto, a capacidade de fornecimento e o serviço técnico, entre outros fatores.
(2) Requisitos de desempenho
Os principais indicadores de referência do chip MCU de controle da área corporal são os seguintes:
Desempenho: ARM Cortex-M4F@ 144MHz, 180DMIPS, cache de instruções de 8 KB integrado, suporte a programa de execução de unidade de aceleração Flash com 0 espera.
Memória criptografada de grande capacidade: até 512 K bytes eFlash, suporte para armazenamento criptografado, gerenciamento de partições e proteção de dados, suporte para verificação ECC, 100.000 apagamentos, 10 anos de retenção de dados; 144 K bytes SRAM, suporte para paridade de hardware.
Interfaces de comunicação ricas integradas: suporte a GPIO multicanal, USART, UART, SPI, QSPI, I2C, SDIO, USB 2.0, CAN 2.0B, EMAC, DVP e outras interfaces.
Simulador integrado de alto desempenho: Suporta ADC de alta velocidade de 12 bits e 5 Msps, amplificador operacional independente de trilho a trilho, comparador analógico de alta velocidade, DAC de 12 bits e 1 Msps; Suporta fonte de tensão de referência independente de entrada externa, tecla de toque capacitiva multicanal; Controlador DMA de alta velocidade.
Suporta entrada de relógio de cristal RC interno ou externo, reinicialização de alta confiabilidade.
Relógio RTC de calibração integrado em tempo real, suporte a calendário perpétuo de ano bissexto, eventos de alarme, despertar periódico.
Suporte contador de tempo de alta precisão.
Recursos de segurança em nível de hardware: Mecanismo de aceleração de hardware com algoritmo de criptografia, com suporte aos algoritmos AES, DES, TDES, SHA1/224/256, SM1, SM3, SM4, SM7 e MD5; Criptografia de armazenamento flash, gerenciamento de partição multiusuário (MMU), gerador de números aleatórios TRNG, operação CRC16/32; Suporte à proteção contra gravação (WRP), vários níveis de proteção contra leitura (RDP) (L0/L1/L2); Suporte à inicialização de segurança, download de criptografia de programa, atualização de segurança.
Suporte ao monitoramento de falhas de relógio e monitoramento antidemolição.
UID de 96 bits e UCID de 128 bits.
Ambiente de trabalho altamente confiável: 1,8 V ~ 3,6 V/-40℃ ~ 105℃.
(3) Padrão industrial
O sistema eletrônico da área da carroceria está em estágio inicial de crescimento para empresas nacionais e estrangeiras. Empresas estrangeiras como BCM, PEPS, portas e janelas, controlador de assento e outros produtos de função única têm um profundo acúmulo técnico, enquanto as principais empresas estrangeiras têm uma ampla cobertura de linhas de produtos, estabelecendo a base para que elas façam produtos de integração de sistemas. As empresas nacionais têm certas vantagens na aplicação de carrocerias de veículos de nova energia. Tomemos como exemplo a BYD, no veículo de nova energia da BYD, a área da carroceria é dividida nas áreas esquerda e direita, e o produto da integração do sistema é reorganizado e definido. No entanto, em termos de chips de controle da área da carroceria, os principais fornecedores de MCU ainda são Infineon, NXP, Renesas, Microchip, ST e outros fabricantes internacionais de chips, e os fabricantes nacionais de chips atualmente têm uma baixa participação de mercado.
(4) Barreiras da indústria
Do ponto de vista da comunicação, há o processo de evolução da arquitetura tradicional - arquitetura híbrida - a Plataforma de Computadores Veicular final. A mudança na velocidade de comunicação, bem como a redução do preço do poder de computação básico com alta segurança funcional são a chave, e é possível gradualmente realizar a compatibilidade de diferentes funções no nível eletrônico do controlador básico no futuro. Por exemplo, o controlador da área da carroceria pode integrar funções tradicionais de BCM, PEPS e anti-pinçamento de ondulação. Relativamente falando, as barreiras técnicas do chip de controle da área da carroceria são menores do que as da área de potência, área do cockpit, etc., e espera-se que os chips nacionais assumam a liderança em fazer um grande avanço na área da carroceria e gradualmente realizem a substituição doméstica. Nos últimos anos, o MCU doméstico no mercado de montagem dianteira e traseira da área da carroceria teve um impulso de desenvolvimento muito bom.
Chip de controle do cockpit
Eletrificação, inteligência e redes aceleraram o desenvolvimento da arquitetura eletrônica e elétrica automotiva na direção do controle de domínio, e o cockpit também está se desenvolvendo rapidamente do sistema de entretenimento de áudio e vídeo do veículo para o cockpit inteligente. O cockpit é apresentado com uma interface de interação humano-computador, mas seja o sistema de infoentretenimento anterior ou o cockpit inteligente atual, além de ter um SOC poderoso com velocidade de computação, ele também precisa de um MCU de alto tempo real para lidar com a interação de dados com o veículo. A popularização gradual de veículos definidos por software, OTA e Autosar no cockpit inteligente torna os requisitos para recursos de MCU no cockpit cada vez mais altos. Especificamente refletido na crescente demanda por capacidade de FLASH e RAM, a demanda por contagem de PIN também está aumentando, funções mais complexas exigem capacidades de execução de programa mais fortes, mas também têm uma interface de barramento mais rica.
(1) Requisitos do trabalho
A MCU na área da cabine realiza principalmente gerenciamento de energia do sistema, gerenciamento de tempo de inicialização, gerenciamento de rede, diagnóstico, interação de dados do veículo, chave, gerenciamento de luz de fundo, gerenciamento de módulo de áudio DSP/FM, gerenciamento de tempo do sistema e outras funções.
Requisitos de recursos do MCU:
· A frequência principal e a potência de computação têm certos requisitos, a frequência principal não é inferior a 100 MHz e a potência de computação não é inferior a 200 DMIPS;
· O espaço de armazenamento Flash não é inferior a 1 MB, com partição física Flash de código e Flash de dados;
· RAM não inferior a 128 KB;
· Alto nível de requisitos de segurança funcional, podendo atingir o nível ASIL-B;
· Suporte ADC multicanal;
· Suporte CAN-FD multicanal;
· Regulamentação de veículos Grau AEC-Q100 Grau 1;
· Suporte para atualização on-line (OTA), suporte a Flash dual Bank;
· O mecanismo de criptografia de informações SHE/HSM-light e superior é necessário para dar suporte à inicialização segura;
· A contagem de pinos não é inferior a 100 PIN;
(2) Requisitos de desempenho
IO suporta ampla fonte de alimentação de tensão (5,5 V~2,7 V), porta IO suporta uso de sobretensão;
Muitas entradas de sinal oscilam de acordo com a voltagem da bateria da fonte de alimentação, podendo ocorrer sobretensão. A sobretensão pode melhorar a estabilidade e a confiabilidade do sistema.
Vida da memória:
O ciclo de vida do carro é superior a 10 anos, portanto, o armazenamento de programas e dados do MCU do carro precisa ter uma vida útil mais longa. O armazenamento de programas e o armazenamento de dados precisam ter partições físicas separadas, e o armazenamento de programas precisa ser apagado menos vezes, portanto, a Resistência > 10K, enquanto o armazenamento de dados precisa ser apagado com mais frequência, portanto, precisa ter um número maior de vezes de apagamento. Consulte o indicador de flash de dados: Resistência > 100K, 15 anos (<1K). 10 anos (<100K).
Interface de barramento de comunicação;
A carga de comunicação de barramento no veículo está ficando cada vez maior, então o CAN CAN tradicional não atende mais à demanda de comunicação, a demanda de barramento CAN-FD de alta velocidade está ficando cada vez maior, e o suporte ao CAN-FD gradualmente se tornou o padrão MCU.
(3) Padrão industrial
Atualmente, a proporção de MCUs de cabine inteligente nacionais ainda é muito baixa, e os principais fornecedores ainda são NXP, Renesas, Infineon, ST, Microchip e outros fabricantes internacionais de MCUs. Diversos fabricantes nacionais de MCUs já estão no mercado, mas o desempenho do mercado ainda é incerto.
(4) Barreiras da indústria
O nível de regulamentação e a segurança funcional dos vagões de cabine inteligentes não são muito altos, principalmente devido ao acúmulo de conhecimento e à necessidade de iteração e aprimoramento contínuos do produto. Ao mesmo tempo, como não há muitas linhas de produção de MCU nas fábricas nacionais, o processo é relativamente atrasado e leva um tempo para atingir a cadeia de suprimentos de produção nacional, podendo haver custos mais altos e maior pressão competitiva com fabricantes internacionais.
Aplicação de chip de controle doméstico
Os chips de controle automotivo são baseados principalmente em MCUs automotivos. Empresas líderes nacionais como Ziguang Guowei, Huada Semiconductor, Shanghai Xinti, Zhaoyi Innovation, Jiefa Technology, Xinchi Technology, Beijing Junzheng, Shenzhen Xihua, Shanghai Qipuwei, National Technology, etc., todas possuem sequências de produtos MCU em escala automotiva, sendo referência em produtos de gigantes estrangeiras, atualmente baseadas na arquitetura ARM. Algumas empresas também realizaram pesquisa e desenvolvimento da arquitetura RISC-V.
Atualmente, o chip de domínio de controle de veículos nacionais é usado principalmente no mercado automotivo de carregamento frontal, sendo aplicado em veículos nas áreas de carroceria e infoentretenimento. Já nas áreas de chassi, potência e outros campos, ainda é dominado por gigantes estrangeiras de chips, como stmicroelectronics, NXP, Texas Instruments e Microchip Semiconductor, e apenas algumas empresas nacionais implementaram aplicações de produção em massa. Atualmente, a fabricante nacional de chips Chipchi lançará produtos da série E3 de chips de controle de alto desempenho baseados no ARM Cortex-R5F em abril de 2022, com nível de segurança funcional ASIL D, nível de temperatura compatível com AEC-Q100 Grau 1, frequência de CPU de até 800 MHz e até 6 núcleos de CPU. É o produto de mais alto desempenho no mercado de MCUs de medidores de veículos de produção em massa, preenchendo a lacuna no mercado nacional de MCUs de medidores de veículos de alta segurança e alto nível de qualidade. Com alto desempenho e alta confiabilidade, pode ser usado em BMS, ADAS, VCUs, chassis by-wire, instrumentos, HUDs, espelhos retrovisores inteligentes e outras áreas essenciais de controle de veículos. Mais de 100 clientes adotaram o E3 para design de produtos, incluindo GAC, Geely, etc.
Aplicação de produtos de núcleo de controlador doméstico
Data de publicação: 19 de julho de 2023
