Introdução ao chip da classe de controle
O chip de controle refere-se principalmente ao MCU (unidade de microcontrolador), ou seja, o microcontrolador, também conhecido como chip único, deve reduzir a frequência e as especificações da CPU de forma adequada, e a memória, temporizador, conversão A/D, relógio, I Porta /O e comunicação serial e outros módulos funcionais e interfaces integrados em um único chip. Realizando a função de controle do terminal, tem as vantagens de alto desempenho, baixo consumo de energia, programável e alta flexibilidade.
Diagrama MCU do nível do medidor do veículo
O setor automotivo é uma área de aplicação muito importante do MCU, de acordo com dados da IC Insights, em 2019, a aplicação global do MCU na eletrônica automotiva representou cerca de 33%. O número de MCUS usados por cada carro em modelos de última geração é próximo a 100, desde computadores de direção, instrumentos LCD, até motores, chassis, componentes grandes e pequenos no carro que precisam de controle MCU.
No início, os MCUS de 8 e 16 bits eram usados principalmente em automóveis, mas com o aprimoramento contínuo da eletronização e da inteligência automotiva, o número e a qualidade dos MCUS necessários também estão aumentando. Atualmente, a proporção de MCUS de 32 bits em MCUS automotivo atingiu cerca de 60%, dos quais o kernel da série Cortex da ARM, devido ao seu baixo custo e excelente controle de energia, é a escolha principal dos fabricantes de MCU automotivo.
Os principais parâmetros do MCU automotivo incluem tensão operacional, frequência operacional, capacidade de Flash e RAM, módulo temporizador e número do canal, módulo ADC e número do canal, tipo e número da interface de comunicação serial, número da porta de E/S de entrada e saída, temperatura operacional, pacote forma 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 a cair e agora se tornou o mainstream e está gradualmente substituindo os aplicativos e mercados dominados pelo MCUS de 8/16 bits no passado.
Se dividido de acordo com o campo de aplicação, o MCU automotivo pode ser dividido em domínio de carroceria, domínio de potência, domínio de chassi, domínio de cabine e domínio de direção inteligente. Para o domínio do cockpit e o domínio do drive inteligente, o MCU precisa ter alto poder de computação e interfaces de comunicação externa de alta velocidade, como CAN FD e Ethernet. O domínio do corpo também requer um grande número de interfaces de comunicação externas, mas os requisitos de potência de computação do MCU são relativamente baixos, enquanto o domínio de potência e o domínio do chassi exigem maior temperatura operacional e níveis de segurança funcional.
Chip de controle de domínio do chassi
O domínio do chassi está relacionado à condução do veículo e é composto pelo sistema de transmissão, sistema de direção, sistema de direção e sistema de freios. É composto por cinco subsistemas, nomeadamente direção, travagem, mudanças, acelerador e sistema de suspensão. Com o desenvolvimento da inteligência automobilística, o reconhecimento de percepção, o planejamento de decisões e a execução de controle de veículos inteligentes são os principais sistemas do domínio do chassi. Steering-by-wire e drive-by-wire são os componentes principais para a extremidade executiva da direção automática.
(1) Requisitos de trabalho
A ECU de domínio do chassi usa uma plataforma de segurança funcional escalonável e de alto desempenho e suporta agrupamento de sensores e sensores inerciais multieixos. Com base neste cenário de aplicação, os seguintes requisitos são propostos para o MCU do domínio do chassi:
· Requisitos de alta frequência e alto poder de computação, a frequência principal não é inferior a 200 MHz e o poder de computação não é inferior a 300DMIPS
· O espaço de armazenamento Flash não é inferior a 2 MB, com partição física Flash de código e dados Flash;
· RAM não inferior a 512 KB;
· Requisitos de alto nível 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 não inferior a 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 núcleo:
I. Frequência central: ou seja, a frequência do clock quando o kernel está funcionando, que é usada para representar a velocidade de 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: DMIPS geralmente pode ser usado para avaliação. DMIPS é uma unidade que mede o desempenho relativo do programa de benchmark integrado MCU quando é testado.
· Parâmetros de memória:
I. Memória de código: memória utilizada 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 ônibus especial para automóveis e barramento de comunicação convencional;
· Periféricos de alta precisão;
· Temperatura operacional;
(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. Estas distinções resultarão em diferentes requisitos de MCU para o domínio do chassi. Por exemplo, o Honda Accord usa três chips MCU de domínio de chassi e o Audi Q7 usa cerca de 11 chips MCU de domínio de chassi. Em 2021, a produção de automóveis de passageiros da marca chinesa é de cerca de 10 milhões, dos quais a procura média de domínio de chassis de bicicletas MCUS é de 5, e o mercado total atingiu cerca de 50 milhões. Os principais fornecedores de MCUS em todo o domínio de chassis 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 de chassi.
(4) Barreiras da indústria
Do ponto de vista técnico principal, os componentes do domínio do chassi, como EPS, EPB, ESC estão intimamente relacionados à segurança da vida do motorista, portanto, o nível de segurança funcional do domínio do chassi MCU é muito alto, basicamente ASIL-D requisitos de nível. Este nível de segurança funcional do MCU está em branco na China. Além do nível de segurança funcional, os cenários de aplicação dos componentes do chassi apresentam requisitos muito elevados de frequência MCU, potência de computação, capacidade de memória, desempenho periférico, precisão periférica e outros aspectos. O MCU de domínio do chassi formou uma barreira muito alta na indústria, que precisa ser desafiada e quebrada pelos fabricantes nacionais de MCU.
Em termos de cadeia de abastecimento, devido aos requisitos de alta frequência e alto poder de computação para o chip de controle dos componentes do domínio do chassi, requisitos relativamente elevados são apresentados para o processo e processo de produção de wafer. Atualmente, parece que é necessário pelo menos um processo de 55 nm para atender aos requisitos de frequência do MCU acima de 200 MHz. A este respeito, a linha de produção doméstica de MCU 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 Fabless e existem desafios e certos riscos na fabricação de wafers e na garantia de capacidade.
Em cenários de computação central, como direção autônoma, os cpus tradicionais de uso geral são difíceis de se adaptar aos requisitos de computação de IA devido à sua baixa eficiência computacional, e os chips de IA, como Gpus, FPgas e ASics, têm excelente desempenho na borda e na nuvem com seus próprios características e são amplamente utilizados. Do ponto de vista das tendências tecnológicas, a GPU ainda será o chip de IA dominante no curto prazo e, no longo prazo, o ASIC será a direção final. Do ponto de vista das tendências do mercado, a procura global por chips de IA manterá um ritmo de crescimento rápido, e os chips de nuvem e de borda têm maior potencial de crescimento, e a taxa de crescimento do mercado deverá ser próxima de 50% nos próximos cinco anos. Embora a base da tecnologia de chips nacionais seja fraca, com o rápido surgimento de aplicações de IA, o rápido volume da demanda de chips de IA cria oportunidades para o crescimento da tecnologia e da capacidade das empresas locais de chips. A direção autônoma tem requisitos rígidos de potência de computação, atraso e confiabilidade. Atualmente, as soluções GPU+FPGA são mais utilizadas. Com a estabilidade dos algoritmos e orientados por dados, espera-se que os ASics ganhem espaço no mercado.
É necessário muito espaço no chip da CPU para previsão e otimização de ramificações, salvando vários estados para reduzir a latência da alternância de tarefas. Isso também o torna mais adequado para controle lógico, operação serial e operação de dados de tipo geral. Tomemos como exemplo a GPU e a CPU, em comparação com a CPU, a GPU usa um grande número de unidades de computação e um pipeline longo, apenas uma lógica de controle muito simples e elimina o cache. A CPU não só ocupa muito espaço no cache, mas também possui lógica de controle complexa e muitos circuitos de otimização, em comparação com o poder de computação é apenas uma pequena parte.
Chip de controle de domínio de potência
O controlador de domínio de energia é uma unidade de gerenciamento inteligente do trem de força. Com CAN / FLEXRAY para obter gerenciamento de transmissão, gerenciamento de bateria, monitoramento da regulação do alternador, usado principalmente para otimização e controle do trem de força, enquanto diagnóstico inteligente de falhas elétricas, economia de energia inteligente, comunicação de barramento e outras funções.
(1) Requisitos de trabalho
O MCU de controle de domínio de energia pode suportar as principais aplicações de energia, como BMS, com os seguintes requisitos:
· Alta frequência principal, frequência principal 600MHz ~ 800MHz
· RAM 4 MB
· Requisitos de alto nível 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 ARM Cortex R5 dual-core lock-step e SRAM on-chip de 4 MB para suportar o crescente poder de computação e os requisitos de memória das aplicações automotivas. CPU ARM Cortex-R5F de até 800 MHz. Alta segurança: O padrão de confiabilidade da especificação do veículo AEC-Q100 atinge o Grau 1, e o nível de segurança funcional ISO26262 atinge ASIL D. A CPU de etapa de bloqueio dual-core pode atingir até 99% de cobertura de diagnóstico. O módulo integrado de segurança da informação 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 aplicativos como inicialização segura, comunicação segura, atualização e atualização segura de firmware.
Chip de controle de área corporal
A área do corpo é a principal responsável pelo controle de diversas funções do corpo. Com o desenvolvimento do veículo, o controlador da área da carroceria também está cada vez mais, para reduzir o custo do controlador, reduzir o peso do veículo, a integração precisa colocar todos os dispositivos funcionais, da parte frontal, do meio parte do carro e a parte traseira do carro, como a luz de freio traseira, a luz de posição traseira, a fechadura da porta traseira e até mesmo a haste dupla, integração unificada em um controlador total.
O controlador de área corporal geralmente integra BCM, PEPS, TPMS, Gateway e outras funções, mas também pode expandir o ajuste do assento, controle do espelho retrovisor, controle do ar condicionado e outras funções, gerenciamento abrangente e unificado de cada atuador, alocação razoável e eficaz de recursos do sistema . As funções de um controlador de área corporal são numerosas, conforme mostrado abaixo, mas não estão limitadas às listadas aqui.
(1) Requisitos de trabalho
As principais demandas da eletrônica automotiva para chips de controle MCU são melhor estabilidade, confiabilidade, segurança, tempo real e outras características técnicas, bem como maior desempenho computacional e capacidade de armazenamento, e menores requisitos de índice de consumo de energia. O controlador de área da carroceria passou gradualmente de uma implantação funcional descentralizada para um grande controlador que integra todas as unidades básicas da eletrônica da carroceria, funções principais, luzes, portas, janelas, etc. controlar fechaduras de portas, janelas e outros controles, chaves inteligentes PEPS, gerenciamento de energia, etc. Bem como gateway CAN, CANFD e FLEXRAY extensíveis, rede LIN, interface Ethernet e tecnologia de desenvolvimento e design de módulos.
Em geral, os requisitos de trabalho das funções de controle acima mencionadas para o chip de controle principal do MCU na área do corpo são refletidos 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, assentos automáticos, porta traseira elétrica e outras aplicações da carroceria, ainda existem necessidades de controle de motores de alta eficiência, tais aplicações de carroceria exigem o MCU para integrar algoritmo de controle eletrônico FOC e outras funções. Além disso, diferentes cenários de aplicação na área do corpo possuem diferentes requisitos para a configuração da interface do chip. Portanto, geralmente é necessário selecionar o MCU da área corporal 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, capacidade de fornecimento e serviço técnico e outros fatores.
(2) Requisitos de desempenho
Os principais indicadores de referência do chip MCU de controle de área corporal são os seguintes:
Desempenho: ARM Cortex-M4F @ 144 MHz, 180DMIPS, cache de instrução de 8 KB integrado, suporte ao programa de execução da unidade de aceleração Flash 0 espera.
Memória criptografada de grande capacidade: até 512K Bytes eFlash, suporta armazenamento criptografado, gerenciamento de partição e proteção de dados, suporta verificação ECC, 100.000 tempos de apagamento, 10 anos de retenção de dados; SRAM de 144K bytes, com suporte para paridade de hardware.
Interfaces de comunicação ricas integradas: suporta GPIO multicanal, USART, UART, SPI, QSPI, I2C, SDIO, USB2.0, CAN 2.0B, EMAC, DVP e outras interfaces.
Simulador integrado de alto desempenho: Suporte ADC de alta velocidade de 12 bits 5Msps, amplificador operacional independente trilho a trilho, comparador analógico de alta velocidade, DAC de 12 bits 1Msps; 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, redefinição de alta confiabilidade.
Relógio em tempo real RTC de calibração integrado, suporte para calendário perpétuo de ano bissexto, eventos de alarme, despertar periódico.
Suporta contador de tempo de alta precisão.
Recursos de segurança em nível de hardware: Mecanismo de aceleração de hardware de algoritmo de criptografia, suportando algoritmos AES, DES, TDES, SHA1/224/256, SM1, SM3, SM4, SM7, MD5; Criptografia de armazenamento flash, gerenciamento de partição multiusuário (MMU), gerador de números aleatórios verdadeiros TRNG, operação CRC16/32; Suporta proteção contra gravação (WRP), vários níveis de proteção contra leitura (RDP) (L0/L1/L2); Suporta inicialização de segurança, download de criptografia de programa, atualização de segurança.
Suporta monitoramento de falha de relógio e monitoramento anti-demolição.
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 corporal está em estágio inicial de crescimento para empresas nacionais e estrangeiras. Empresas estrangeiras como BCM, PEPS, portas e janelas, controladores 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 as bases para que façam produtos de integração de sistemas . As empresas nacionais têm certas vantagens na aplicação de carrocerias de veículos com novas energias. Tomemos a BYD como exemplo: no novo veículo energético da BYD, a área do corpo 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 de área corporal, o principal fornecedor de MCU ainda é 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 final do computador veicular. A mudança na velocidade de comunicação, bem como a redução do preço do poder de computação básico com alta segurança funcional é a chave, e é possível perceber gradativamente a compatibilidade de diferentes funções no nível eletrônico do controlador básico no futuro. Por exemplo, o controlador de área corporal pode integrar funções tradicionais de BCM, PEPS e anti-beliscão de ondulação. Relativamente falando, as barreiras técnicas do chip de controle da área do corpo são inferiores às da área de potência, área do cockpit, etc., e espera-se que os chips domésticos assumam a liderança em fazer um grande avanço na área do corpo 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 bom impulso de desenvolvimento.
Chip de controle da cabine
A eletrificação, a inteligência e as 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 atual cockpit inteligente, além de possuir um poderoso SOC com velocidade de computação, também precisa de um MCU de alto tempo real para lidar com a interação dos dados com o veículo. A popularização gradual de veículos definidos por software, OTA e Autosar no cockpit inteligente torna os requisitos de recursos MCU no cockpit cada vez mais elevados. Especificamente refletido na crescente demanda por capacidade 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 possuem uma interface de barramento mais rica.
(1) Requisitos de trabalho
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 MCU:
· A frequência principal e o poder de computação têm certos requisitos, a frequência principal não é inferior a 100 MHz e o poder de computação não é inferior a 200DMIPS;
· O espaço de armazenamento Flash não é inferior a 1 MB, com partição física Flash de código e dados Flash;
· RAM não inferior a 128 KB;
· Requisitos de alto nível de segurança funcional, podendo atingir o nível ASIL-B;
· Suporte ADC multicanal;
· Suporte CAN-FD multicanal;
· Regulação de veículos Grau AEC-Q100 Grau1;
· Suporte a atualização on-line (OTA), suporte a Flash dual Bank;
· O mecanismo de criptografia de informações de nível leve e superior SHE/HSM é necessário para suportar uma inicialização segura;
· A contagem de pinos não é inferior a 100PIN;
(2) Requisitos de desempenho
IO suporta fonte de alimentação de ampla tensão (5,5v ~ 2,7v), a porta IO suporta uso de sobretensão;
Muitas entradas de sinal flutuam de acordo com a tensão da bateria da fonte de alimentação e pode ocorrer sobretensão. A sobretensão pode melhorar a estabilidade e a confiabilidade do sistema.
Vida de memória:
O ciclo de vida do carro é de mais de 10 anos, portanto, o armazenamento do programa MCU do carro e o armazenamento de dados precisam ter uma vida útil mais longa. O armazenamento do programa e o armazenamento de dados precisam ter partições físicas separadas, e o armazenamento do programa precisa ser apagado menos vezes, portanto Endurance> 10K, enquanto o armazenamento de dados precisa ser apagado com mais frequência, por isso precisa ter um número maior de tempos 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 do ônibus no veículo está ficando cada vez maior, então o CAN tradicional não pode mais atender à demanda de comunicação, a demanda do barramento CAN-FD de alta velocidade está ficando cada vez maior, o suporte ao CAN-FD tornou-se gradualmente o padrão MCU .
(3) Padrão industrial
Atualmente, a proporção de MCU de cabine inteligente doméstica ainda é muito baixa, e os principais fornecedores ainda são NXP, Renesas, Infineon, ST, Microchip e outros fabricantes internacionais de MCU. Vários fabricantes nacionais de MCU estão no layout, o desempenho do mercado ainda está para ser visto.
(4) Barreiras da indústria
O nível de regulamentação do carro com cabine inteligente e o nível de segurança funcional não são relativamente altos, principalmente devido ao acúmulo de know-how e à necessidade de iteração e melhoria contínua do produto. Ao mesmo tempo, como não existem muitas linhas de produção de MCU nas fábricas nacionais, o processo é relativamente atrasado e leva um período de tempo para atingir a cadeia de fornecimento de produção nacional, e pode haver custos mais elevados e a pressão da concorrência com fabricantes internacionais é maior.
Aplicação de chip de controle doméstico
Os chips de controle de carro são baseados principalmente em MCU de carro, 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., todos têm sequências de produtos MCU em escala de carro, produtos gigantes estrangeiros de referência, atualmente baseados na arquitetura ARM. Algumas empresas também realizaram pesquisa e desenvolvimento da arquitetura RISC-V.
Atualmente, o chip de domínio de controle de veículo doméstico é usado principalmente no mercado de carregamento frontal automotivo e tem sido aplicado no carro no domínio da carroceria e no domínio do infoentretenimento, enquanto no chassi, domínio de potência e outros campos, ainda é dominado por gigantes de chips estrangeiros, como stmicroelectronics, NXP, Texas Instruments e Microchip Semiconductor, e apenas algumas empresas nacionais realizaram aplicações de produção em massa. Atualmente, o fabricante nacional de chips Chipchi lançará produtos da série E3 de chips de controle de alto desempenho baseados em ARM Cortex-R5F em abril de 2022, com nível de segurança funcional atingindo ASIL D, nível de temperatura compatível com AEC-Q100 Grau 1, frequência de CPU de até 800 MHz , com até 6 núcleos de CPU. É o produto de mais alto desempenho no medidor de veículos de produção em massa existente MCU, preenchendo a lacuna no mercado doméstico de MCU de medidores de veículos de alto nível de segurança, com alto desempenho e alta confiabilidade, pode ser usado em BMS, ADAS, VCU, por -chassis de fio, instrumento, HUD, espelho retrovisor inteligente e outros campos principais de controle do veículo. Mais de 100 clientes adotaram o E3 para design de produtos, incluindo GAC, Geely, etc.
Aplicação de produtos principais de controladores domésticos
Horário da postagem: 19 de julho de 2023
