汽車芯片IP核：實現片上系統高效性能

作者：Stephan B?ro Andreas K?nig

集成半導體電路的快速發展推動了汽車自動化、電動化、互聯化的趨勢和相關電子電氣架構的發展。在芯片架構日益復雜，設計工作持續增加的背景下，采取模塊的標準化及功能的復用化等策略是很有必要的，這同時也將有利于成本的控制。

片上系統（SoC）內融合了一個或多個微控制器內核，兼具許多其他的功能模塊，以便在盡可能小的芯片面積上實現更多功能。然而，隨著集成度的不斷提高，開發工作量也隨之增加：半導體技術的結構寬度越小，新芯片的設計工作量就越大——隨之而來的還有高達數億歐元的開發費用。

因此，半導體設計越來越多地轉向預開發模塊，即IP（Intellectual Property）核，它可以輕松集成到 SoC 中，極大地減少工作量。這些 IP 核通過 VHDL 等硬件描述語言構建，用戶可以在獲取IP授權后運用到自己的產品設計中。

相較于消費類或工業類應用的成熟，例如圖形處理器、以太網開關或內存控制器等，在汽車領域，迄今為止只有一小部分專用IP核可以滿足汽車應用的需求并能夠在市場上站穩腳跟。

核心功能的標準化

為了減少開發工作量及成本，IP核允許硬件端核心功能的標準化。得益于這種兼容性，通用IP核使汽車制造商在選擇半導體元件時具有更大的靈活性，在選擇汽車電子設備中的ECU時也是如此。這些核心組件在汽車中新電氣電子（E/E）架構的定義階段扮演著特殊的角色，在未來，他們將與圍繞微控制器、SoC和微處理器設計的軟件平臺和應用程序進行聯合設計。（圖1）

圖1為跨供應商的多階段鏈示例：市場需求和IP核綁定，無論是 OEM（汽車制造商）還是Tier 1（系統供應商）的需求，都取決于IP核用于一種或多種應用。IP供應商將這些特定條件下設計的、始終具有標準化核心功能的IP 核提供給半導體制造商進行設計（如有必要，也可以提供單獨的版本）。Tier1和越來越多的OEM直接將設計好的半導體組件應用于他們的車輛ECU。產業鏈競爭無疑會帶來創新，但IP核會保障核心功能的標準化。

IP核在汽車SoC（片上系統）的應用

IP核在汽車行業最著名的例子大概是英國公司 ARM的處理器核。ARM提供基于RISC（精簡指令集）架構計算內核的獨立許可證，支持全球范圍內的半導體制造商開發自己的SoC，使其無需自行開發專有內核。另一種選擇是使用開放標準的 RISC-V開源指令集架構，它擁有來自多個供應商的開源內核，在很大程度上可以自由使用。兩相比較，在質量保證和開發可靠生態系統方面，后者用戶需要承擔更高的成本。

IP核的另一個應用領域是車輛中的安全數據傳輸。特別是在實施標準化的傳輸協議時，使用現成的IP核不僅大大減少了半導體制造商的開發工作，也更容易確保與相關行業標準的兼容性和一致性。對IP功能的廣泛驗證，以及按照汽車行業規定的去證明其安全性和互通性的認證工作量是非常巨大的。如果每個半導體制造商需要進行單獨驗證，這將帶來相應的組件成本的大幅增加。

在通信總線領域，汽車IP的應用是通過各個IP供應商提供的CAN控制器來實現的。在超過 10 Mbit/s 的標準化網絡技術這一領域中，博世增強型 CAN XL IP核已經進入市場，作為 10 BASE T1S 以太網的強有力競爭者（如圖2）。

CAN XL延續了低成本高性能的 CAN 網絡的優勢：包括靈活的拓撲結構和成本與帶寬之間的權衡，以及車輛中面向未來通信協議的最新功能，如用于各種隧道傳輸協議的高達2048字節的大型有效載荷，安全傳輸以及服務質量機制。

實時的關鍵控制和驅動：推動汽車IP的開發的不僅僅是設備開發過程中實現協同作用與降低成本的訴求，也是汽車行業對半導體設備架構中實現標準化的期望。雙供應商甚至多供應商策略在半導體行業，尤其是在產品供不應求時是必需的，因此將微控制器、微處理器和SoC架構中那些特別影響軟件應用實施部分的標準化刻不容緩。只有這樣，才能實現跨供應商的器件快速替換。

這方面的一個經典案例是博世的通用定時器IP模塊（GTM），它已經被各半導體制造商用于微控制器中。在近似硬件編程的關鍵時間控制應用中，GTM使得在大量的微控制器中相同應用的使用成為可能，從而大大減少了移植的工作量（圖3）。GTM IP 的可擴展結構和通用性適用于處理任何數字輸入信號，也能為執行器生成最復雜的控制信號。它可以用于各種各樣的應用領域，并將定制的IP版本集成到半導體中--從內燃機和電力驅動中的電機控制，到廣泛的車身和底盤應用，直至可以模擬串行接口。

在汽車領域開發高效 IP 的另一個應用領域是復雜數學函數的計算，例如以嵌入式 AI（人工智能）、機器學習或硬件加速器的形式，在運行時靈活、動態地適應復雜數學算法的實現。目前可用的IP僅適用于用SIMD結構加速的數學運算，而且通常很難被集成到嵌入式系統的調度中。

目前，幾家半導體制造商正在推出一種能夠克服這種局限的IP。如果沒有數據流結構（DFA）IP，各種ECU很快就會需要千兆赫處理器。在許多情況下，比起昂貴得多的微處理器，帶有DFA的微控制器（圖4）將成為更有吸引力的選擇，使OEM和Tier1能提前為之后的算法做好準備。

另一個應用領域是跨領域和跨協議的數據處理：未來的電子電氣架構將同時使用多種通信協議，必須確保這些協議之間的數據交換具有高帶寬和可靠性，例如保障數據的低延遲和低抖動。只有這樣，我們才能在ECU中自由地設置各個功能。所有功能集中在整個ECU中（圖5），因此需要在多種協議之間進行轉換，如不同節點上的車載電腦、區域控制器和網關，就分別使用了LIN、CAN和以太網協議。當基于軟件的解決方案達到極限時，就會導致零星數據包的丟失，但基于硬件的解決方案卻能夠在車輛的各個領域進行快速可靠的實時通信。要應用基于硬件的解決方案，不同ECU中的標準化實施是其中的關鍵。未來，像增強型數據引擎（EDE： Enhanced Data Engine）這樣的IP核將使半導體供應商能夠為不同的產品如微控制器、片上系統和網絡交換芯片提供標準化的通信。由車輛傳感器發送的CAN/LIN數據包以隧道形式通過以太網主干轉發。根據應用中的具體需求，EDE IP核可以與內部或外部物理接口（收發器）相結合。

成功整合的先決條件

除了定義和實現汽車IP外，汽車行業不斷增長的需求對IP供應商來說也是一個重大挑戰。將IP核無縫集成到相應的微控制器中需要一長串包含IP源代碼的交付物，通常以VHDL或Verilog硬件描述語言的形式進行交付：

· 使終端用戶能夠理解和使用 IP 功能的交付物，例如用戶指南、正式的寄存器描述

· 使半導體制造商能夠將該IP集成到各自的微控制器或片上系統中的交付物，例如集成指南、合成參數、集成測試結果

· 用于證明合格的質量和安全性的交付物，例如驗證計劃和相關的代碼覆蓋率、證書

近年來，質量保證和功能安全方面的重要性大大提高。現代驗證方法如通用驗證方法（UVM），使得IP供應商能夠在驗證環境中實現代碼和功能覆蓋率方面的目標值。此外，它們為將IP供應商的驗證活動集成到半導體制造商的微控制器驗證中提供了可能，從而實現一個完整的端到端的功能覆蓋。這些驗證活動通常由IP驗證來補充，例如通過FPGA來實現，這使得真實環境中對功能進行早期測試成為可能。

對于IP供應商和微控制器制造商來說，通過認證來確保和證明的功能安全會產生相當大的工作量。雖然IP通常是獨立的，即所謂的“脫離背景的安全要素（SEooC）”，但如果沒有進一步的系統級保護，很少能達到更高的完整性水平，如滿足ASIL-D（D級汽車安全完整性）。在IP開發期間，必須遵守相關標準的規范，如ISO-26262。這使得IP供應商需要向半導體制造商提供必要的如FMEDA數據，安全手冊和證書等文件和ISO-26262驗證證明，便于制造商確保產品在系統層面符合相應的汽車安全完整性等級。

生態系統是成功的關鍵

IP核成功的另一個不可忽視的組成部分是相關的生態環境（圖6），這不完全由IP 核的創始人提供，也需要通過與現有供應商的合作來實現。接受和無障礙使用IP核的先決條件是要有豐富的開發環境，包括合適的工具，編譯器、軟件或驅動程序，以及有效的資料和培訓。值得一提的是，將IP核整合到虛擬仿真平臺上已經變得越來越重要。因此，用于IP核建模的System C或類似的建模語言成為了核心要求。