Увод у чип контролне класе
Контролни чип се углавном односи на MCU (микроконтролерску јединицу), односно микроконтролер, познат и као један чип, који служи за смањење фреквенције процесора и спецификација на одговарајући начин, а меморија, тајмер, A/D конверзија, такт, I/O порт и серијска комуникација и други функционални модули и интерфејси интегрисани су на једном чипу. Реализујући функцију контроле терминала, има предности високих перформанси, мале потрошње енергије, програмабилности и велике флексибилности.
MCU дијаграм нивоа мерног уређаја возила
Аутомобилска индустрија је веома важна област примене микроконтролера (МКУ). Према подацима компаније IC Insights, у 2019. години, глобална примена МКУ-а у аутомобилској електроници чинила је око 33%. Број МКУ-ова које користи сваки аутомобил у врхунским моделима је близу 100, од возачких рачунара, ЛЦД инструмената, до мотора, шасија, великих и малих компоненти у аутомобилу којима је потребна МКУ контрола.
У раним данима, 8-битни и 16-битни МЦУС-ови су се углавном користили у аутомобилима, али са континуираним унапређењем електронизације и интелигенције аутомобила, број и квалитет потребних МЦУС-ова такође се повећавају. Тренутно је удео 32-битних МЦУС-ова у аутомобилским МЦУС-овима достигао око 60%, од чега је АРМ-ово језгро серије Цортекс, због своје ниске цене и одличне контроле снаге, главни избор произвођача аутомобилских МЦУ-ова.
Главни параметри аутомобилског микроконтролера укључују радни напон, радну фреквенцију, капацитет флеш и RAM меморије, модул тајмера и број канала, ADC модул и број канала, тип и број серијског комуникационог интерфејса, број улазних и излазних I/O портова, радну температуру, облик кућишта и ниво функционалне безбедности.
Подељено по броју битних јединица процесора, аутомобилски MCUS се углавном може поделити на 8-битне, 16-битне и 32-битне. Са надоградњом процеса, цена 32-битних MCUS-ова наставља да пада, и сада је постао главни ток, постепено замењујући апликације и тржишта којима су у прошлости доминирали 8/16-битни MCUS-ови.
Ако се подели према области примене, аутомобилски MCU може се поделити на домен каросерије, домен напајања, домен шасије, домен кокпита и домен интелигентне вожње. За домен кокпита и домен интелигентног погона, MCU мора имати велику рачунарску снагу и брзе екстерне комуникационе интерфејсе, као што су CAN FD и Ethernet. Домен каросерије такође захтева велики број екстерних комуникационих интерфејса, али су захтеви за рачунарском снагом MCU-а релативно ниски, док домен напајања и домен шасије захтевају вишу радну температуру и ниво функционалне безбедности.
Чип за контролу домена шасије
Домен шасије је повезан са вожњом возила и састоји се од система преноса, система вожње, система управљања и система кочења. Састоји се од пет подсистема, наиме управљања, кочења, мењања брзина, гаса и система вешања. Са развојем аутомобилске интелигенције, препознавање перцепције, планирање одлука и извршавање контроле интелигентних возила постали су основни системи домена шасије. Управљање помоћу жице и погон помоћу жице су основне компоненте за извршни део аутоматске вожње.
(1) Захтеви за посао
ЕЦУ домена шасије користи високоперформансну, скалабилну платформу функционалне безбедности и подржава груписање сензора и вишеосне инерцијалне сензоре. На основу овог сценарија примене, предлажу се следећи захтеви за МЦУ домена шасије:
· Захтеви за високу фреквенцију и велику рачунарску снагу, главна фреквенција није мања од 200MHz, а рачунарска снага није мања од 300DMIPS
· Простор за флеш меморију није мањи од 2MB, са физичком партицијом флеш меморије за код и податке;
· RAM меморија не мања од 512KB;
· Високи захтеви за ниво функционалне безбедности, могу достићи ниво ASIL-D;
· Подржава 12-битни прецизни АЦП;
· Подржава 32-битни тајмер високе прецизности и високе синхронизације;
· Подржава вишеканални CAN-FD;
· Подржава не мање од 100M Ethernet;
· Поузданост није нижа од AEC-Q100 Grade1;
· Подршка за онлајн надоградњу (OTA);
· Подршка за функцију верификације фирмвера (национални тајни алгоритам);
(2) Захтеви за перформансе
· Део језгра:
I. Фреквенција језгра: то јест, фреквенција такта када језгро ради, која се користи за представљање брзине осцилације дигиталног импулсног сигнала језгра, а главна фреквенција не може директно представљати брзину израчунавања језгра. Брзина рада језгра је такође повезана са цевоводом језгра, кеш меморијом, скупом инструкција итд.
II. Рачунарска снага: DMIPS се обично може користити за процену. DMIPS је јединица која мери релативне перформансе интегрисаног MCU бенчмарк програма када се тестира.
· Параметри меморије:
I. Меморија кода: меморија која се користи за чување кода;
II. Меморија података: меморија која се користи за чување података;
III.RAM: Меморија која се користи за чување привремених података и кода.
· Комуникациони аутобус: укључујући аутомобилски специјални аутобус и конвенционални комуникациони аутобус;
· Високопрецизна периферија;
· Радна температура;
(3) Индустријски образац
Како се електрична и електронска архитектура коју користе различити произвођачи аутомобила разликује, тако ће се разликовати и захтеви за компонентама шасије. Због различите конфигурације различитих модела исте фабрике аутомобила, избор ECU-а за шасију ће бити различит. Ове разлике ће резултирати различитим захтевима за MCU за шасију. На пример, Хонда Акорд користи три MCU чипа за шасију, а Ауди Q7 користи око 11 MCU чипова за шасију. У 2021. години, производња кинеских путничких аутомобила је око 10 милиона, од чега је просечна потражња за MCU-овима за шасије бицикала 5, а укупно тржиште је достигло око 50 милиона. Главни добављачи MCU-ова у шасији су Infineon, NXP, Renesas, Microchip, TI и ST. Ових пет међународних добављача полупроводника чини више од 99% тржишта за MCU-ове за шасије.
(4) Индустријске баријере
Са кључне техничке тачке гледишта, компоненте шасије, као што су EPS, EPB, ESC, уско су повезане са безбедношћу живота возача, тако да је ниво функционалне безбедности микроконтролера шасије веома висок, у основи захтеви нивоа ASIL-D. Овај ниво функционалне безбедности микроконтролера у Кини је празан. Поред нивоа функционалне безбедности, сценарији примене компоненти шасије имају веома високе захтеве за фреквенцију микроконтролера, рачунарску снагу, капацитет меморије, периферне перформансе, периферну тачност и друге аспекте. MCU у шасији је формирао веома високу индустријску баријеру, коју домаћи произвођачи микроконтролера морају да изазову и пробију.
Што се тиче ланца снабдевања, због захтева за високом фреквенцијом и великом рачунарском снагом за контролни чип компоненти домена шасије, постављају се релативно високи захтеви за процес и процес производње плочица. Тренутно се чини да је потребан процес од најмање 55nm да би се испунили захтеви за фреквенцију MCU-а изнад 200MHz. У том погледу, домаћа производна линија MCU-а није комплетна и није достигла ниво масовне производње. Међународни произвођачи полупроводника су у основи усвојили IDM модел, што се тиче ливница плочица, тренутно само TSMC, UMC и GF имају одговарајуће капацитете. Домаћи произвођачи чипова су сви компаније без фабрике, и постоје изазови и одређени ризици у производњи плочица и осигурању капацитета.
У сценаријима основног рачунарства као што је аутономна вожња, традиционалне процесоре опште намене је тешко прилагодити захтевима вештачке интелигенције због њихове ниске рачунарске ефикасности, а вештачка интелигенција чипови попут графичких процесора (GPU), FPGA и ASIC-ова имају одличне перформансе на рубу мреже и у облаку са својим карактеристикама и широко се користе. Из перспективе технолошких трендова, GPU ће и даље бити доминантан вештачки чип у кратком року, а дугорочно, ASIC је ултимативни правац. Из перспективе тржишних трендова, глобална потражња за вештачким интелигенцијама чиповима ће одржати брзи замах раста, а cloud и edge чипови имају већи потенцијал раста, а очекује се да ће стопа раста тржишта бити близу 50% у наредних пет година. Иако је темељ домаће технологије чипова слаб, са брзим појавом вештачке интелигенције, брзи обим потражње за вештачким чиповима ствара могућности за раст технологије и капацитета локалних предузећа за производњу чипова. Аутономна вожња има строге захтеве у погледу рачунарске снаге, кашњења и поузданости. Тренутно се углавном користе GPU+FPGA решења. Са стабилношћу алгоритама и заснованим на подацима, очекује се да ће ASIC-ови освојити тржишни простор.
На процесорском чипу је потребно много простора за предвиђање и оптимизацију грана, чувајући различита стања како би се смањила латенција пребацивања задатака. Ово га такође чини погоднијим за логичку контролу, серијски рад и опште операције са подацима. Узмимо за пример GPU и CPU, у поређењу са CPU, GPU користи велики број рачунарских јединица и дугачак цевовод, само веома једноставну контролну логику и елиминише кеш меморију. CPU не само да заузима много простора због кеша, већ има и сложену контролну логику и много кола за оптимизацију, што је у поређењу са рачунарском снагом само мали део.
Чип за контролу домена напајања
Контролер домена напајања је интелигентна јединица за управљање погонским склопом. Са CAN/FLEXRAY технологијом за управљање преносом, управљање батеријом, праћење регулације алтернатора, углавном се користи за оптимизацију и контролу погонског склопа, док истовремено обавља интелигентну дијагностику кварова у електричној енергији, интелигентну уштеду енергије, комуникацију са магистралом и друге функције.
(1) Захтеви за посао
MCU за управљање енергетским доменом може да подржи главне апликације у енергетици, као што је BMS, са следећим захтевима:
· Висока главна фреквенција, главна фреквенција 600MHz~800MHz
· РАМ меморија 4 МБ
· Високи захтеви за ниво функционалне безбедности, могу достићи ниво ASIL-D;
· Подржава вишеканални CAN-FD;
· Подржава 2G Ethernet;
· Поузданост није нижа од AEC-Q100 Grade1;
· Подршка за функцију верификације фирмвера (национални тајни алгоритам);
(2) Захтеви за перформансе
Високе перформансе: Производ интегрише двојезгарни ARM Cortex R5 процесор са закључавањем корака и 4MB SRAM меморије на чипу како би подржао растуће захтеве за рачунарском снагом и меморијом аутомобилских апликација. ARM Cortex-R5F процесор до 800MHz. Висока безбедност: Стандард поузданости спецификација возила AEC-Q100 достиже 1. степен, а ниво функционалне безбедности ISO26262 достиже ASIL D. Двојезгарни процесор са закључавањем корака може постићи покривеност дијагностиком до 99%. Уграђени модул за безбедност информација интегрише генератор случајних бројева, AES, RSA, ECC, SHA и хардверске акцелераторе који су у складу са релевантним стандардима државне и пословне безбедности. Интеграција ових функција безбедности информација може задовољити потребе апликација као што су безбедно покретање, безбедна комуникација, безбедно ажурирање и надоградња фирмвера.
Чип за контролу подручја тела
Област каросерије је углавном одговорна за контролу различитих функција тела. Са развојем возила, контролер области каросерије је такође све више и више, како би се смањили трошкови контролера, смањила тежина возила, интеграција захтева да се сви функционални уређаји, од предњег дела, средњег дела аутомобила и задњег дела аутомобила, као што су задње стоп светло, задње позиционо светло, брава задњих врата, па чак и двострука шипка за држање, обједине у један комплетан контролер.
Контролер површине каросерије генерално интегрише BCM, PEPS, TPMS, Gateway и друге функције, али такође може проширити подешавање седишта, контролу ретровизора, контролу клима уређаја и друге функције, свеобухватно и обједињено управљање сваким актуатором, разумну и ефикасну расподелу системских ресурса. Функције контролера површине каросерије су бројне, као што је приказано у наставку, али нису ограничене на оне које су овде наведене.
(1) Захтеви за посао
Главни захтеви аутомобилске електронике за MCU контролне чипове су боља стабилност, поузданост, безбедност, карактеристике у реалном времену и друге техничке карактеристике, као и веће рачунарске перформансе и капацитет складиштења, и мањи захтеви за индекс потрошње енергије. Контролер површине каросерије је постепено прешао са децентрализованог функционалног распоређивања на велики контролер који интегрише све основне погоне електронике каросерије, кључне функције, светла, врата, прозоре итд. Дизајн система за контролу површине каросерије интегрише осветљење, прање брисача, централну контролу брава на вратима, прозоре и друге контроле, PEPS интелигентне кључеве, управљање напајањем итд. Као и гејтвеј CAN, прошириви CANFD и FLEXRAY, LIN мрежа, Ethernet интерфејс и технологија развоја и дизајна модула.
Генерално, захтеви за рад горе поменутих контролних функција за главни контролни чип MCU-а у области каросерије углавном се огледају у аспектима рачунарских и процесних перформанси, функционалне интеграције, комуникационог интерфејса и поузданости. Што се тиче специфичних захтева, због функционалних разлика у различитим сценаријима функционалне примене у области каросерије, као што су електрични прозори, аутоматска седишта, електрична врата пртљажника и друге примене у области каросерије, и даље постоје потребе за високо ефикасном контролом мотора, а такве примене у области каросерије захтевају да MCU интегрише електронски алгоритам управљања FOC-ом и друге функције. Поред тога, различити сценарији примене у области каросерије имају различите захтеве за конфигурацију интерфејса чипа. Стога је обично потребно одабрати MCU у области каросерије према функционалним и перформансним захтевима специфичног сценарија примене и на основу тога свеобухватно измерити трошкове производа, способност снабдевања и техничку услугу и друге факторе.
(2) Захтеви за перформансе
Главни референтни индикатори чипа MCU за контролу површине тела су следећи:
Перформансе: ARM Cortex-M4F@ 144MHz, 180DMIPS, уграђена кеш меморија инструкција од 8KB, подршка за убрзање флеш меморије, извршавање програма 0 чекања.
Шифрована меморија великог капацитета: до 512 КБ eFlash, подржава шифровано складиштење, управљање партицијама и заштиту података, подржава ECC верификацију, 100.000 брисања, 10 година чувања података; 144 КБ SRAM, подржава хардверски паритет.
Интегрисани богати комуникациони интерфејси: Подржава вишеканалне GPIO, USART, UART, SPI, QSPI, I2C, SDIO, USB2.0, CAN 2.0B, EMAC, DVP и друге интерфејсе.
Интегрисани симулатор високих перформанси: Подржава 12-битни 5Msps брзи ADC, независни операциони појачавач од шине до шине, брзи аналогни компаратор, 12-битни 1Msps DAC; Подржава спољни улазни независни извор референтног напона, вишеканални капацитивни додирни тастер; Брзи DMA контролер.
Подржава интерни RC или екстерни улаз кристалног такта, ресетовање високе поузданости.
Уграђени калибрациони RTC сат реалног времена, подршка за вечни календар за преступну годину, алармне догађаје, периодично буђење.
Подржава високо прецизни бројач времена.
Безбедносне карактеристике на нивоу хардвера: Механизам за хардверско убрзање алгоритма за шифровање, подржава AES, DES, TDES, SHA1/224/256, SM1, SM3, SM4, SM7, MD5 алгоритме; Шифровање флеш меморије, управљање партицијама за више корисника (MMU), генератор случајних бројева TRNG, CRC16/32 рад; Подршка за заштиту од писања (WRP), више нивоа заштите од читања (RDP) (L0/L1/L2); Подршка за безбедносно покретање, преузимање шифровања програма, безбедносно ажурирање.
Подржава праћење квара сата и праћење против рушења.
96-битни UID и 128-битни UCID.
Веома поуздано радно окружење: 1,8 V ~ 3,6 V/-40 ℃ ~ 105 ℃.
(3) Индустријски образац
Електронски систем за управљање каросеријом је у раној фази раста како за страна тако и за домаћа предузећа. Стране компаније у областима као што су BCM, PEPS, врата и прозори, контролери седишта и други производи са једном функцијом имају дубоко техничко искуство, док велике стране компаније имају широк спектар производних линија, постављајући темеље за производе системске интеграције. Домаћа предузећа имају одређене предности у примени нових енергетских система за каросерију возила. Узмимо BYD као пример, код BYD-овог новог енергетског возила, каросерија је подељена на леви и десни део, а производ системске интеграције је преуређен и дефинисан. Међутим, што се тиче чипова за управљање каросеријом, главни добављач MCU-а је и даље Infineon, NXP, Renesas, Microchip, ST и други међународни произвођачи чипова, док домаћи произвођачи чипова тренутно имају низак тржишни удео.
(4) Индустријске баријере
Са становишта комуникације, постоји процес еволуције традиционалне архитектуре - хибридне архитектуре - коначне платформе рачунара возила. Промена брзине комуникације, као и смањење цене основне рачунарске снаге уз високу функционалну безбедност су кључни, и могуће је постепено остварити компатибилност различитих функција на електронском нивоу основног контролера у будућности. На пример, контролер каросерије може интегрисати традиционалне BCM, PEPS и функције против укљештења. Релативно говорећи, техничке баријере чипа за контролу каросерије су ниже него за област напајања, кокпит итд., и очекује се да ће домаћи чипови преузети водећу улогу у великом продору у области каросерије и постепено остварити домаћу замену. Последњих година, домаћи MCU на тржишту предње и задње монтаже каросерије имао је веома добар замах развоја.
Чип за контролу кокпита
Електрификација, интелигенција и умрежавање убрзали су развој аутомобилске електронске и електричне архитектуре у правцу контроле домена, а кокпит се такође брзо развија од система за аудио и видео забаву возила до интелигентног кокпита. Кокпит је представљен интерфејсом за интеракцију човек-рачунар, али без обзира да ли је у питању претходни инфотејнмент систем или тренутни интелигентни кокпит, поред моћног SOC-а са брзином рачунарства, потребан му је и MCU високе брзине у реалном времену за обраду интеракције података са возилом. Постепена популаризација софтверски дефинисаних возила, OTA и Autosar-а у интелигентном кокпиту чини захтеве за MCU ресурсима у кокпиту све већим. То се посебно огледа у растућој потражњи за FLASH и RAM капацитетом, а потражња за PIN Count-ом такође расте, сложеније функције захтевају јаче могућности извршавања програма, али такође имају богатији магистрални интерфејс.
(1) Захтеви за посао
MCU у кабини углавном реализује управљање напајањем система, управљање временом укључивања, управљање мрежом, дијагностику, интеракцију података возила, управљање кључем, управљање позадинским осветљењем, управљање аудио DSP/FM модулом, управљање системским временом и друге функције.
Захтеви за ресурсима микроконтролера:
· Главна фреквенција и рачунарска снага имају одређене захтеве, главна фреквенција није мања од 100MHz, а рачунарска снага није мања од 200DMIPS;
· Простор за флеш меморију није мањи од 1 МБ, са физичком партицијом флеш меморије за код и податке;
· RAM меморија не мања од 128KB;
· Високи захтеви за ниво функционалне безбедности, могу достићи ниво ASIL-B;
· Подржава вишеканални АЦП;
· Подржава вишеканални CAN-FD;
· Прописи о возилима, степен AEC-Q100, степен 1;
· Подршка за онлајн надоградњу (ОТА), подршка за флеш меморију са две банке података;
· За подршку безбедног покретања потребан је механизам за шифровање информација нивоа SHE/HSM и више;
· Број пинова није мањи од 100ПИН;
(2) Захтеви за перформансе
ИО подржава напајање широким напоном (5,5 V ~ 2,7 V), ИО порт подржава употребу у условима пренапона;
Многи сигнални улази варирају у зависности од напона батерије напајања, и може доћи до пренапона. Пренапон може побољшати стабилност и поузданост система.
Животни век меморије:
Животни век аутомобила је дужи од 10 година, тако да складиштење програма и складиштење података у аутомобилском микроконтролеру морају имати дужи век трајања. Складиште програма и складиштење података морају имати одвојене физичке партиције, а складиштење програма мора се ређе брисати, тако да је трајност >10K, док складиштење података мора бити чешће брисано, тако да је потребан већи број брисања. Погледајте индикатор трајања блица података >100K, 15 година (<1K). 10 година (<100K).
Интерфејс комуникационе магистрале;
Оптерећење комуникације на возилу је све веће и веће, тако да традиционални CAN-CAN више не задовољава потребе за комуникацијом, потражња за брзим CAN-FD магистралама је све већа и већа, а подршка за CAN-FD је постепено постала MCU стандард.
(3) Индустријски образац
Тренутно је удео домаћих микроконтролера за паметне кабине и даље веома низак, а главни добављачи су и даље NXP, Renesas, Infineon, ST, Microchip и други међународни произвођачи микроконтролера. Више домаћих произвођача микроконтролера је учествовало у пројекту, а тржишни учинак остаје да се види.
(4) Индустријске баријере
Ниво регулације интелигентне кабине аутомобила и ниво функционалне безбедности релативно нису превисоки, углавном због акумулације знања и потребе за континуираним развојем и унапређењем производа. Истовремено, пошто нема много производних линија микроконтролера у домаћим фабрикама, процес је релативно заостао и потребно је време да се постигне национални ланац снабдевања производњом, а могу постојати и већи трошкови, а конкурентски притисак међународних произвођача је већи.
Примена домаћег контролног чипа
Чипови за управљање аутомобилима углавном се заснивају на аутомобилским MCU-има, а водећа домаћа предузећа као што су Ziguang Guowei, Huada Semiconductor, Shanghai Xinti, Zhaoyi Innovation, Jiefa Technology, Xinchi Technology, Beijing Junzheng, Shenzhen Xihua, Shanghai Qipuwei, National Technology итд., сва имају производне секвенце MCU-а аутомобилских размера, референтне производе великих страних компанија, тренутно засноване на ARM архитектури. Нека предузећа су такође спровела истраживање и развој RISC-V архитектуре.
Тренутно се домаћи чип за управљање возилима углавном користи на тржишту предњег утовара у аутомобилима и примењује се на аутомобиле у домену каросерије и инфо-забаве, док у области шасије, напајања и другим областима и даље доминирају страни гиганти у производњи чипова као што су stmicroelectronics, NXP, Texas Instruments и Microchip Semiconductor, а само неколико домаћих предузећа је реализовало примене у масовној производњи. Тренутно, домаћи произвођач чипова Chipchi ће у априлу 2022. године објавити производе високоперформансних контролних чипова серије E3 заснованих на ARM Cortex-R5F, са нивоом функционалне безбедности који достиже ASIL D, температурним нивоом који подржава AEC-Q100 Grade 1, фреквенцијом процесора до 800MHz, са до 6 CPU језгара. То је производ са највишим перформансама на постојећем масовно произведеном MCU-у за мерне уређаје возила, попуњавајући празнину на домаћем тржишту врхунских MCU-а за мерне уређаје возила са високим нивоом безбедности, са високим перформансама и високом поузданошћу, може се користити у BMS-у, ADAS-у, VCU-у, by-wire шасијама, инструментима, HUD-у, интелигентном ретровизору и другим кључним областима управљања возилима. Више од 100 купаца је усвојило Е3 за дизајн производа, укључујући GAC, Geely итд.
Примена основних производа домаћег контролера
Време објаве: 19. јул 2023.
