一辆传统燃油车需要大约500到600颗芯片,轻混汽车大约需要1000颗,插电混动和纯电动汽车则需要至少2000颗芯片。
这就意味着在智能电动汽车快速发展的过程中,不仅对先进制程芯片需求不断增加,而且对传统芯片需求也会持续增加。MCU就是这样,除了单车搭载的数量在不断增长,域控制器也带来了对高安全、高可靠、高算力MCU的新需求增长。
MCU,Microcontroller Unit,中文称单片微型计算机/微控制器/单片机,将CPU、存储器、外围功能整合在单一芯片上,形成具有控制功能的芯片级计算机,主要用于实现信号处理和控制,是智能控制系统的核心。
MCU和汽车电子,工业,计算机和网络,消费电子,家电和物联网等我们生活和工作密切相关,汽车电子是汽车电子中最大的一个市场,全球范围内汽车电子所占比例高达33%。
MCU结构
MCU主要由中央处理器CPU、存储器(ROM和RAM)、输入输出I/O接口、串行口、计数器等构成。
CPU:Central Processing Unit,中央处理器,是 MCU 内部的核心部件,运算部件能完成数据的算术逻辑运算、位变量处理和数据传送操作,控制部件则按照一定时序协调工作,分析并执行指令。
ROM:Read-Only Memory,是程序存储器,用来存放由制造厂家写好的程序,信息以非破坏方式读取,所保存的数据在掉电时不会消失,MCU根据预先编制的程序进行处理。
RAM:Random Access Memory,是数据存储器,与 CPU 直接进行数据交换,掉电后该数据不能保持。程序运行时可随时写和读,一般用作操作系统或者其他运行程序临时数据存储介质。
CPU和MCU的关系:
CPU是运算控制的核心。MCU除了CPU之外,还包含ROM或RAM等,是芯片级芯片。常见的还有SoC(System on Chip),中文叫片上系统,它是一种系统级芯片,可以存储和运行系统级代码,运行QNX、Linux 等操作系统,包含多个处理器单元(CPU+GPU+DSP+NPU+存储+接口单元)。
MCU的位数
位数是指MCU每次处理数据的宽度,位数越高意味着MCU数据处理能力就越强,目前最主要的是8、16、32位三种,其中32位占比最多且增长迅速。
在汽车电子应用中,8 位MCU成本低、便于开发,目前多用于比较简单的控制方面,例如照明,雨刷,车窗,座椅以及车门等车身域控制。但对比较复杂的方面,例如仪表显示,车载娱乐信息系统,动力控制系统,底盘,驾驶辅助系统等等,主要是32位,且随着汽车电动化、智能化、网联化的迭代进化,对MCU的运算能力要求也越来越高。
MCU车规认证
MCU供应商在进入OEM的供应链体系前,一般需要完成三大认证:设计阶段要遵循功能安全标准 ISO 26262,流片和封装阶段要遵循AEC-Q001~004和IATF16949,以及在认证测试阶段要遵循AEC-Q100/Q104。
其中,ISO 26262定义了ASIL四个安全等级,从低到高分别为A、B、C和D;AEC-Q100 分为四个可靠性等级,从低到高分别为 3、2、1和0。AEC-Q100 系列认证一般需要1-2年的时间,而ISO 26262的认证难度更大,周期更长。
MCU在智能电动汽车产业的应用
MCU在汽车产业中的应用非常广泛,例如前表就是从车身附件、动力系统、底盘、车载信息娱乐、智能驾驶等板块都得到了应用。随着智能电动车时代的到来,人们对MCU产品的需求将更加旺盛。
电动化:
1、电池管理系统BMS:BMS需要对充放电、温度、电池间均衡进行控制,主控板需要一颗MCU,每个从控板也需要一颗MCU;
2、整车控制器VCU:电动汽车能量管理需要增加整车控制器,同时需要配备32位高阶MCU,其数量根据各厂的方案不同而不同;
3、引擎控制器/变速箱控制器:存量替换,电动汽车逆变器控制MCU替代油车的引擎控制器,因电机转速高,需通过减速器进行减速,它所安装MCU控制芯片代替油车变速箱控制器。
智能化:
1、当前国内汽车市场还停留在L2高速渗透阶段,从综合成本与性能考虑,OEM增加ADAS功能仍然采用分布式架构,随装载率提高,对传感器信息处理的MCU也相应增多。
2、由于座舱功能日益增多,更高新能的芯片作用越来越重要,对应的MCU地位有所下降。
工艺制造
MCU本身对算力要求优先,对先进制程要求不高,同时其内置的嵌入式存储自身也限制了MCU制程的提升,所以目前车规MCU工艺节点以40nm以上成熟制程为主,一些较先进车用MCU产品使用28nm制程。车规芯片规格以8英寸晶圆为主,一些厂家特别是IDM已经开始移植到12英寸的平台上。
目前28nm和40nm工艺是市场主流。
国内外典型企业
与消费及工业级MCU相比,车规级MCU在运行环境,可靠性及供货周期等方面都有更高的要求,另外车规级MCU具有相对更高的认证门槛,认证时间较长,准入困难,因此总体上MCU的市场格局比较集中,2021年世界前五名的MCU企业占比就达82%之多。
当前,我国车规级MCU尚处于导入期,供应链本土化和国产替代化具有很大的潜力。
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