缺芯潮下MCU的國產(chǎn)替代機(jī)會與挑戰(zhàn)

在過去的1~2年中，整個(gè)汽車電子行業(yè)，特別是汽車MCU這一類，面臨著一波嚴(yán)重的缺貨行情。在這期間，很多主機(jī)廠和T1工廠都開始尋求保供。而芯馳E3，從2022年4月推出到市場以來，有相當(dāng)一部分的項(xiàng)目是以保供和國產(chǎn)替代為主題的。

在這個(gè)過程中，我們看到了傳統(tǒng)ECU的替代機(jī)會。但是對于芯馳的產(chǎn)品，有時(shí)能看到更多的機(jī)會點(diǎn)，比如隨著汽車電子電氣架構(gòu)向集中化發(fā)展，一些此前并不被大家關(guān)注的應(yīng)用機(jī)會也逐漸呈現(xiàn)出來，包括一些域控制器，不局限于自動駕駛的域控制器、底盤的域控制器，或者是車身的域控制器。接下來的內(nèi)容，也會突出芯馳產(chǎn)品的特性，以及一些能夠匹配應(yīng)用需求的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)。

挑戰(zhàn)方面，芯馳科技的MCU在做汽車應(yīng)用時(shí)，會面對很多方面的挑戰(zhàn)，包括但不局限于供貨、質(zhì)量、功能安全和一定程度上的高端替代。

首先，從供貨角度來看，芯馳科技一直處于一個(gè)比較好的狀態(tài)，現(xiàn)在芯馳能給到客戶的交期是14周，在這樣缺貨的大背景下，我們的產(chǎn)能是比較樂觀的。

第二方面是質(zhì)量。芯馳現(xiàn)在做的產(chǎn)品都是車規(guī)產(chǎn)品，在所有車規(guī)產(chǎn)品出貨前，都會進(jìn)行嚴(yán)格的、以AEC-Q100為代表的一系列測試，保證產(chǎn)品的安全性和穩(wěn)定性。

功能安全是一個(gè)比較重要的方面，也是芯馳MCU的特點(diǎn)之一。在E3這個(gè)項(xiàng)目之前，芯馳已經(jīng)通過了ISO 26262 ASIL D的功能安全體系認(rèn)證。這樣的認(rèn)證，從基因上保證了芯馳產(chǎn)品符合功能安全要求。今年年中，E3產(chǎn)品已經(jīng)過了TüV萊茵的功能安全概念認(rèn)證。最后一個(gè)正在攻克的堡壘，是SEooC的ASIL D產(chǎn)品認(rèn)證，預(yù)計(jì)在明年的年中完成。

最后一點(diǎn)是高端替代。芯馳產(chǎn)品和規(guī)格在算力、存儲、接口等方面對標(biāo)國際先進(jìn)產(chǎn)品，可以滿足一些高端的替代需求。

芯馳科技E3系列?車規(guī)MCU及關(guān)鍵技術(shù)

這里介紹一下芯馳科技E3系列車規(guī)MCU產(chǎn)品家族以及關(guān)鍵技術(shù)特點(diǎn)。關(guān)鍵技術(shù)特點(diǎn)基本包括了運(yùn)算、相關(guān)的外設(shè)、存儲、功能安全、信息安全等模塊。

首先是E3產(chǎn)品家族的介紹，上圖對整個(gè)E3產(chǎn)品做了分類，每一個(gè)藍(lán)框是一個(gè)子系列，不同的子系列有不同的特點(diǎn)。

最左邊的這一系列是高可靠系列。最大的特點(diǎn)可以歸納成以下幾點(diǎn)：首先是功能安全等級非常高，整個(gè)產(chǎn)品計(jì)劃通過ASIL D級別的產(chǎn)品認(rèn)證；同時(shí)，車規(guī)溫度等級也比較高，將達(dá)到Automotive Grade 1。在汽車中，除了引擎控制器或者變速箱控制器需要Grade 0的ECU，我們的產(chǎn)品在其他應(yīng)用中都是可以充分覆蓋的。其次，這一系列產(chǎn)品擁有相對較高的算力，最多可以支持6個(gè)物理上的ARM內(nèi)核，可以跑到600MHz，未來還會有800MHz的產(chǎn)品。在這一系列高可靠性產(chǎn)品上，我們提供了從LQFP144、LQFP176到BGA324封裝的不同型號，它們有不同的主頻和內(nèi)核數(shù)量，同時(shí)也有外設(shè)上的梯度。

接下來介紹這一系列產(chǎn)品所面向的應(yīng)用。第一類是電動力總成，現(xiàn)在新能源汽車?yán)锩孀詈诵牡膸讉€(gè)部件包括了VCU、EMS和電機(jī)的主驅(qū)動。第二類是區(qū)域控制器網(wǎng)關(guān)等應(yīng)用，有越來越多的車身控制已經(jīng)與網(wǎng)關(guān)融合在一起，構(gòu)成了一個(gè)區(qū)域控制器網(wǎng)關(guān)應(yīng)用，不同的汽車形態(tài)可能會不一樣，有的通過4個(gè)區(qū)域控制器完成了整個(gè)車身的控制，有的廠家可能會進(jìn)行左車身和右車身的劃分。第三類是一個(gè)底盤控制器，因?yàn)樾抉Y有LQFP封裝的ASIL D產(chǎn)品，可以在相對少的PCB層數(shù)，或相對小的芯片面積上完成高功能安全的應(yīng)用設(shè)計(jì)，在這部分應(yīng)用中我們比較關(guān)注現(xiàn)在流行的線控底盤。

中間一類是顯示類MCU。這一類比較直接，有三個(gè)最重要的目標(biāo)應(yīng)用，分別是液晶儀表、電子后視鏡和抬頭顯示控制器。針對這些應(yīng)用我們推出了E3300系列，后面還會介紹到它的芯片框圖，包括一些多媒體相關(guān)的外設(shè)和特殊的硬件引擎，芯馳在做的2D液晶儀表能夠達(dá)到比較高的規(guī)格。

最右邊一類是車身控制MCU。它是一個(gè)ASIL B等級的產(chǎn)品系列，相對來說溫度等級不是特別高，因?yàn)檫@類應(yīng)用通常對溫度沒有很高的要求，它能覆蓋的應(yīng)用相對更廣一些，包括但不限于T-Box、車身控制器、空調(diào)控制器和燈光照明。同時(shí)，我們采用單核的R5F作為內(nèi)核，也能提供比較強(qiáng)的算力，支持LQFP144和LQFP176兩種封裝，來滿足不同的控制器的封裝的需求。

上圖是E3600系列的框圖。接下來，以E3600系列為例，給大家簡單介紹E3600系列的特點(diǎn)。首先，可以看到深藍(lán)色的部分是計(jì)算內(nèi)核，這也是芯馳比較重要的一部分內(nèi)容。E3600系列是32bit的CPU，同時(shí)這個(gè)ARM CPU具有ASIL D功能安全認(rèn)證，非常適合用來做高功能安全的MCU。

同時(shí)，內(nèi)核上可以看到深黃色和淺黃色的鎖。這表示MCU可以配置成鎖步和分立運(yùn)行的。鎖步運(yùn)行時(shí)，整個(gè)CPU的診斷覆蓋率會非常高，適合完成高功能安全規(guī)格的應(yīng)用。而在分立運(yùn)行時(shí)，可以獲得更多獨(dú)立可編程的內(nèi)核，這樣整體芯片算力就會提高。這是一個(gè)比較靈活的設(shè)計(jì)，因?yàn)楹芏郋CU里，既有功能安全的算力，也有非功能安全的算力。

另外，可以看到存儲是有MPU存儲保護(hù)的，每個(gè)內(nèi)核有自己可以訪問的存儲和寄存器的界限，相互之間不會受到干擾，由硬件去防護(hù)。同時(shí)，它有FPU可以直接支持硬件的浮點(diǎn)。CPU配置了I-Cache和D-Cache。它跟傳統(tǒng)沒有Cache的MCU有非常大的差異，這也保證了高性能的內(nèi)核能充分發(fā)揮其性能。

講完內(nèi)核部分，再看下存儲。存儲包含有片內(nèi)存儲和片外存儲兩種，片內(nèi)放了比較大的SRAM。目前，E3600系列最大的是4MB SRAM，并且這些SRAM還帶有ECC的保護(hù)。與此同時(shí)，還有外接存儲，它可以擴(kuò)展Flash和RAM。

再往下是一個(gè)信息安全模塊。信息安全模塊對于MCU是比較重要的，我們也會讓它做一些信息安全認(rèn)證，包括國密二級等。整個(gè)E3600系列產(chǎn)品，目前都配備了信息安全模塊，可以滿足各類應(yīng)用的信息安全需求。

接著會有一個(gè)系統(tǒng)管理的模塊，里面包括了內(nèi)置的時(shí)鐘。主域有24MHz的時(shí)鐘，還有一個(gè)負(fù)責(zé)低功耗的域叫RTC域，有32KHz的時(shí)鐘。時(shí)鐘既可以從外部提供，也可以由內(nèi)部的RC電路直接提供。同時(shí)，里面有一個(gè)eFuse，它跟信息安全加密做OTA等有非常重要的關(guān)系。此外，還有JTAG和SWD接口，使得我們可以用常規(guī)的調(diào)試器去調(diào)試，如 J-LINK等。

最后，還有一個(gè)PMU，PMU內(nèi)部包括DCDC和LDO控制器，在不需要特別功能安全的情況下，MCU只需要一個(gè)3.3V的電壓就可以完成供電。在內(nèi)核供電方面，由內(nèi)部PMU上的DCDC和LDO提供，同時(shí)PMU也方便去接外部的PMIC，來實(shí)現(xiàn)功能安全的電源設(shè)計(jì)。

在外設(shè)部分，上圖左下角也列了一些主要的點(diǎn)，包括了DMA，DMA搬運(yùn)是一個(gè)提高性能的重要通道。內(nèi)部會有多個(gè)窗比較的看門狗定時(shí)器，來保證每個(gè)內(nèi)核的安全運(yùn)行。雖然在芯片內(nèi)部，該看門狗是一個(gè)硬件看門狗，可以滿足ASIL D的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

往下是兩個(gè)實(shí)時(shí)控制的外設(shè)，包括了eTimer和ePWM，eTimer可以做數(shù)字信號的捕捉，也可以做一些數(shù)字信號的軟解碼，比如SENT信號、正交編碼的信號等，甚至可以實(shí)現(xiàn)一些數(shù)字邏輯功能；ePWM一般用于復(fù)雜波形輸出。

通信外設(shè)部分可以看到千兆以太網(wǎng)TSN，E3600系列上面也配置了兩個(gè)千兆以太網(wǎng)，整個(gè)配置是比較豪華的。同時(shí)，TSN在很多汽車應(yīng)用中有越來越廣的使用。其他還包括了FlexRay、SPI等，接口靈活多樣。

CAN/CANFD多達(dá)24路，LIN/UART是16路。對于域控制器，如果有比較多的傳感器和執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)，這樣的外設(shè)配置是游刃有余的。另外還有實(shí)時(shí)控制相關(guān)的外設(shè)ADC和模擬比較器。通過以上的介紹，可以初步看到芯片內(nèi)部的主要功能模塊是什么。

下一個(gè)產(chǎn)品是顯示類MCU。這部分主要介紹下與E3600系列有差異的硬件，媒體功能模塊。它首先有一個(gè)RGB接口，可以支持到RGB888來實(shí)現(xiàn)視頻的輸入和輸出；同時(shí)，配備有LVDS接口，芯馳的儀表demo都是通過LVDS接口去實(shí)現(xiàn)的。芯片上有并行CSI接口，可以支持720P的視頻輸入，芯片在做電子后視鏡、HUD或儀表時(shí)，可能會有視頻輸入，視頻需要通過并行CSI接口接入。E3300內(nèi)部有芯馳自研的2D GPU實(shí)現(xiàn)繪圖功能，對于儀表以及HUD應(yīng)用是比較重要的。再有就是硬件扭曲引擎ASW，它對于做一個(gè)高性能的儀表UI，或是做HUD和電子后視鏡中的圖像畸變矯正、硬件畸變矯是十分關(guān)鍵的。

E3300的外部存儲接口也會有些不同，這個(gè)系列可以支持SDR和DDR 存儲，最高可以到每秒400兆字節(jié)的帶寬，可以增大圖像緩沖區(qū)，做出更復(fù)雜的儀表UI效果。這顆產(chǎn)品是AEC-Q100 Grade 2的，因?yàn)橄鄬碚f沒有很高的溫度要求，BGA324封裝，有比較豐富的 IO資源。

最后一個(gè)系列是車身E3100系列。就內(nèi)核來說，它是一個(gè)單核的Cortex-R5F，不是鎖步運(yùn)行的，和之前的幾個(gè)系列存在差異。相對來說，這類應(yīng)用沒有很高的功能等級需求，不需要鎖步的內(nèi)核。同時(shí)，這個(gè)系列里面還配置了1MB到4MB不等的Flash存儲器，來滿足相關(guān)應(yīng)用的程序和數(shù)據(jù)存儲需求。這一系列產(chǎn)品更詳細(xì)的信息可以在上圖右邊的選型表里看下，總體來說是面向車身應(yīng)用的通用MCU。

編輯：黃飛

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