Part 2 動(dòng)力與底盤(pán)系統(tǒng)及MCU市場(chǎng)與技術(shù)概要

2.1 走向中央化的汽車EE架構(gòu)

當(dāng)代汽車內(nèi)部有超過(guò)100個(gè)大大小小的電子電氣子系統(tǒng)，絕大部分子系統(tǒng)直接或間接相連。電子電氣EE架構(gòu)將車內(nèi)的電氣電子系統(tǒng)進(jìn)行整合與組織，確保這些系統(tǒng)能夠協(xié)同工作。EE架構(gòu)即包含了對(duì)于控制汽車各組成部分（動(dòng)力、信息娛樂(lè)、安全系統(tǒng)等）的電子電氣系統(tǒng)所做設(shè)計(jì)與規(guī)劃。SY6esmc

當(dāng)代用戶對(duì)汽車的預(yù)期在于互聯(lián)網(wǎng)連接、符合自身需求和個(gè)性化的駕駛體驗(yàn)、更沉浸的娛樂(lè)與功能實(shí)現(xiàn)，以及在享受自動(dòng)化與智能化體驗(yàn)的同時(shí)還能保證安全。汽車本身不再是用戶關(guān)注的焦點(diǎn)，移動(dòng)服務(wù)和體驗(yàn)才是個(gè)中關(guān)鍵。但要實(shí)現(xiàn)核心功能，仍然是EE架構(gòu)各方面的努力達(dá)成的。SY6esmc

為了達(dá)成當(dāng)代用戶的需求，EE架構(gòu)正變得復(fù)雜和先進(jìn)。微控制器/處理器（MCU/MPU）在獲取來(lái)自傳感器陣列的數(shù)據(jù)之后，采用更先進(jìn)的軟件，需要具備更強(qiáng)大的處理能力。同時(shí)車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)需要管理傳感器、控制器等系統(tǒng)的通信。如此一來(lái)，涵蓋ECU（電子控制單元）、傳感器、執(zhí)行器和連接在內(nèi)的系統(tǒng)愈發(fā)復(fù)雜，汽車OEM廠商及其供應(yīng)商也面臨越來(lái)越多的挑戰(zhàn)。SY6esmc

當(dāng)代EE架構(gòu)主要采用“域架構(gòu)”（domain architecture，功能域），將執(zhí)行相似處理的不同ECU組成域。也就有了1.3章節(jié)探討的不同系統(tǒng)或域。傳統(tǒng)意義上EE架構(gòu)所涵蓋的域，如本報(bào)告關(guān)注的動(dòng)力域（又常被稱為HEV/EV域）、底盤(pán)域，以及車身域、智能駕駛（ADAS/AD）域，及智能座艙（通常包含IVI或信息娛樂(lè)系統(tǒng)）域等。所有這些功能域連接到中央網(wǎng)關(guān)相互之間可做通信。SY6esmc

比如說(shuō)，引擎系統(tǒng)的ECU都集成在了動(dòng)力域，而開(kāi)關(guān)門(mén)、窗戶的ECU則集成在了車身域。相對(duì)的，動(dòng)力域控制器（domain controller）和車身電子域控制器都連接到中央網(wǎng)關(guān)。每個(gè)域的電子電氣系統(tǒng)都連接到對(duì)應(yīng)的域控制器，這些域控制器又連接到中央網(wǎng)關(guān)。SY6esmc

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圖2.1.1：功能域架構(gòu)與區(qū)域架構(gòu)；來(lái)源：NXP[13]SY6esmc

另外，另一種發(fā)展方向的區(qū)域架構(gòu)（zonal architecture），以物理區(qū)域而非功能域的方式，基于位置進(jìn)行設(shè)計(jì)與組織規(guī)劃。這經(jīng)常被行業(yè)視作一種更具未來(lái)向的EE架構(gòu)組織方式，更加追求內(nèi)部的高速通信網(wǎng)絡(luò)、多功能的ECU，以及車載軟件面向服務(wù)的架構(gòu)（SOA）。這種架構(gòu)更相關(guān)于中央計(jì)算與區(qū)域網(wǎng)關(guān)概念，也能更進(jìn)一步地減少物理ECU數(shù)量，便于達(dá)成更具靈活性或混合通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。但這并非本報(bào)告要探討的重點(diǎn)，此處不再做深入。SY6esmc

總的來(lái)說(shuō)，相對(duì)于過(guò)往完全分散的EE架構(gòu)，走向更集中、更中央的汽車EE架構(gòu)是行業(yè)共有認(rèn)知，雖然究竟會(huì)有多集中、哪些域?qū)⒁诤?，以及最終汽車EE架構(gòu)會(huì)演變成何種具體形態(tài)仍舊未為可知。報(bào)告4.1章節(jié)對(duì)中心化的動(dòng)力域架構(gòu)做了簡(jiǎn)單探討。SY6esmc

2.2 ECU、MCU、動(dòng)力與底盤(pán)系統(tǒng)

ECU（電子控制單元）是針對(duì)車內(nèi)各種電子系統(tǒng)的主要控制單元，上述各個(gè)功能域中就包含了不同的ECU。當(dāng)代汽車為執(zhí)行各種安全關(guān)鍵和實(shí)時(shí)處理任務(wù)，內(nèi)部會(huì)有70-100個(gè)左右的ECU。ECU從各種傳感器獲取數(shù)據(jù)，基于軟件和程序處理數(shù)據(jù)，并控制對(duì)應(yīng)的執(zhí)行器。SY6esmc

ECU硬件內(nèi)有各種不同的電子組件，包括模擬與數(shù)字IO pin，不同的連接器、與其他系統(tǒng)通信的接口等。而MCU微控制器是其中最重要的組成部分。一般來(lái)說(shuō)，MCU是ECU執(zhí)行復(fù)雜計(jì)算和決策的中心。在ECU走向域中心化的DCU（Domain Control Unit），乃至到汽車中心化的未來(lái)新架構(gòu)，都對(duì)包括MCU在內(nèi)的數(shù)字控制與處理芯片提出了新的要求。SY6esmc

MCU是主要包含有處理單元、存儲(chǔ)、IO及其他外圍的數(shù)字芯片。MCU以小尺寸驅(qū)動(dòng)控制大功能組件——對(duì)來(lái)自IO外圍獲取到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并給出相應(yīng)的決策和指令，完成控制功能。系統(tǒng)中的微控制器之間也會(huì)交互，共享數(shù)據(jù)和協(xié)作執(zhí)行功能。SY6esmc

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圖2.2.1：MCU框圖SY6esmc

圖2.2.1展示了MCU的基本模塊：除了中心的處理單元、存儲(chǔ)和IO外圍之外，可能還有ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）、DAC（數(shù)模轉(zhuǎn)換器）、timer（計(jì)時(shí)器）、counter（計(jì)數(shù)器）、時(shí)鐘發(fā)生器和其他。SY6esmc

很自然的，動(dòng)力與底盤(pán)域就需要對(duì)應(yīng)的ECU及其中的MCU。在某些資料或部分語(yǔ)境下，動(dòng)力與底盤(pán)系統(tǒng)常被放在一起談?wù)?mdash;—我們查閱的部分研究報(bào)告甚至并不對(duì)兩者做區(qū)分或形成共同體。因?yàn)檫@兩者密切相關(guān)。SY6esmc

比如說(shuō)制動(dòng)和轉(zhuǎn)向，其結(jié)構(gòu)支撐和功能實(shí)現(xiàn)主要依托于底盤(pán)系統(tǒng)，但顯然它也和動(dòng)力系統(tǒng)在功能上有相關(guān)性，比如說(shuō)回饋制動(dòng)、電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向功能。發(fā)動(dòng)機(jī)支架則連接著發(fā)動(dòng)機(jī)與底盤(pán)，確保穩(wěn)定性、減少震動(dòng)，也能表現(xiàn)兩個(gè)系統(tǒng)的相關(guān)性。[14]SY6esmc

一般認(rèn)為，底盤(pán)（chassis）是汽車的脊骨，是汽車框架的承載組件，也是其他汽車組件附著點(diǎn)：包括框架、懸架、排氣管、轉(zhuǎn)向裝置、車輪等。底盤(pán)還有個(gè)相當(dāng)重要的職能，為車身、發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)和其他集成組件提供支撐、確保穩(wěn)定性。SY6esmc

從具體的功能性來(lái)看，汽車底盤(pán)需要考量重量分布、吸收和分散撞擊能量、支撐不同的汽車組件、平衡汽車結(jié)構(gòu)。而其關(guān)鍵組成部分則包括有車架縱梁、懸掛系統(tǒng)、離合器、后軸、制動(dòng)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、車輪（與車胎）、橫梁、傳動(dòng)系統(tǒng)、萬(wàn)向節(jié)等。SY6esmc

動(dòng)力系統(tǒng)（powertrain）簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是將發(fā)動(dòng)機(jī)/引擎的能量傳往車輪，讓車能跑起來(lái)的組件系統(tǒng)[15]。動(dòng)力系統(tǒng)的主要組成部分包括發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器、傳動(dòng)軸、差速器、車軸等。動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與狀況，決定了動(dòng)力轉(zhuǎn)換的效率；它影響到牽引、加速、操縱體驗(yàn)，乃至安全風(fēng)險(xiǎn)。SY6esmc

從MCU的角度來(lái)看這兩個(gè)系統(tǒng)或域。MCU在任何系統(tǒng)中的作用，籠統(tǒng)概括都在于（1）傳感器數(shù)據(jù)收集——比如車輪速度、加速計(jì)、陀螺儀等，來(lái)監(jiān)測(cè)汽車的移動(dòng)和穩(wěn)定性；（2）控制算法——處理傳感器數(shù)據(jù)，做出實(shí)時(shí)決策（如ABS防抱死制動(dòng)系統(tǒng)）；（3）執(zhí)行器控制——MCU向執(zhí)行器發(fā)出指令（如制動(dòng)執(zhí)行器），基于控制算法來(lái)調(diào)整其工作；（4）通信——在系統(tǒng)內(nèi)乃至域之間的不同的ECU之間進(jìn)行通信；（5）故障診斷——監(jiān)測(cè)組件健康狀態(tài)，診斷錯(cuò)誤和問(wèn)題，發(fā)出警示或相關(guān)信息。SY6esmc

具體到底盤(pán)系統(tǒng)，MCU會(huì)執(zhí)行ABS防抱死制動(dòng)控制；ESC電子穩(wěn)定控制——如監(jiān)測(cè)和修正轉(zhuǎn)向過(guò)度或轉(zhuǎn)向不足，維持車輛穩(wěn)定性；牽引力控制——調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力和制動(dòng)，緩解車輪打滑問(wèn)題；懸掛控制——管理自適應(yīng)或激活懸掛系統(tǒng)，提供穩(wěn)定流暢的駕車體驗(yàn)；轉(zhuǎn)向輔助——典型如電機(jī)輔助轉(zhuǎn)向機(jī)制……SY6esmc

對(duì)于動(dòng)力系統(tǒng)而言，可列舉MCU的工作如電機(jī)控制——包括基于駕駛情況和駕車者的輸入調(diào)整車速與扭矩，達(dá)成優(yōu)化的性能和效率；能源管理——監(jiān)測(cè)電池狀態(tài)，包括電壓、電流與溫度，管理能源使用；安全（safety）——尤其對(duì)于錯(cuò)誤、過(guò)熱、過(guò)載等情況的監(jiān)測(cè)，預(yù)防電機(jī)、電池等組件的損壞及安全風(fēng)險(xiǎn)。SY6esmc

作為對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)的局部前瞻，前兩年的域中心化汽車動(dòng)力EE架構(gòu)研究報(bào)告，實(shí)驗(yàn)性質(zhì)地給出了四項(xiàng)現(xiàn)有和潛在關(guān)鍵功能，更偏向于域控制器特性，亦可作為參考——本報(bào)告的4.1章節(jié)對(duì)包含這些系統(tǒng)的整體架構(gòu)做了補(bǔ)充介紹。這里對(duì)幾個(gè)系統(tǒng)略作摘要：監(jiān)督控制、電池系統(tǒng)、電機(jī)系統(tǒng)、熱系統(tǒng)相關(guān)[16]。SY6esmc

監(jiān)督控制器（Supervisory Controller）被定義為某種高層級(jí)控制器（被認(rèn)為將在域控制器中廣泛部署），負(fù)責(zé)多個(gè)子系統(tǒng)功能的協(xié)作，提供系列相關(guān)功能。它從底層動(dòng)力架構(gòu)中獲取到各種變量，比如說(shuō)電機(jī)、離合器的不同數(shù)據(jù)。監(jiān)督控制器在EE架構(gòu)中擁有最高控制權(quán)，負(fù)責(zé)所有狀況下的最優(yōu)系統(tǒng)操作。在驅(qū)動(dòng)或推力系統(tǒng)部分發(fā)揮最高控制權(quán)時(shí)，它控制電動(dòng)車的電力流動(dòng)，以優(yōu)化能耗與操縱靈活性。SY6esmc

就電池系統(tǒng)而言，典型BMS（電池管理系統(tǒng)）的主要功能涵蓋，通過(guò)控制高壓接觸器來(lái)管理電池組的充放電；提供諸如電壓、電流、溫度等的電池組變量信息，并執(zhí)行SoX（SOC, SOE, SOH等）估算；在必要時(shí)從汽車熱管理系統(tǒng)請(qǐng)求制冷或制熱來(lái)維持最優(yōu)的電池組工作溫度；發(fā)起被動(dòng)電池均衡（passive cell balancing）；面向高壓系統(tǒng)隔離發(fā)起緊急響應(yīng)等。SY6esmc

電機(jī)系統(tǒng)部分職能，自然相關(guān)于驅(qū)動(dòng)電機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)電機(jī)既用于汽車動(dòng)力，也用于產(chǎn)生電。所以控制軟件的一大功能是將監(jiān)督控制器計(jì)算得到的扭矩請(qǐng)求，轉(zhuǎn)為車輪轉(zhuǎn)矩；以及在牽引和發(fā)電模式下轉(zhuǎn)換。電機(jī)系統(tǒng)和電池系統(tǒng)一樣，基于應(yīng)用差異也需要主動(dòng)溫度管理。SY6esmc

該研究報(bào)告給出的熱系統(tǒng)涵蓋有冷卻回路、泵、熱交換器、氣門(mén)和風(fēng)扇等。如前所述，尤其需要進(jìn)行熱管理的是電池組與電機(jī)功率逆變器及電機(jī)自身。另外理論上由于熱系統(tǒng)整體跨域（如動(dòng)力域的電池組、座艙的乘客需求），理想情況下可以向其他控制系統(tǒng)提供接口，允許請(qǐng)求熱管理行為。熱管理軟件可以中央化為一個(gè)ECU，或者在多個(gè)ECU中分布。SY6esmc

2.3 電子引擎（發(fā)動(dòng)機(jī)）控制系統(tǒng)示例

如前所述，一般認(rèn)為動(dòng)力系統(tǒng)包括了發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器、傳動(dòng)軸、差速器、車軸等。電子控制也就是在其中加入電子控制系統(tǒng)，MCU自然是實(shí)現(xiàn)這種控制的核心：除了實(shí)現(xiàn)引擎（發(fā)動(dòng)機(jī)）控制功能，還包括自動(dòng)變速、差速器的牽引力控制等實(shí)現(xiàn)。SY6esmc

本節(jié)簡(jiǎn)單列舉相關(guān)數(shù)字引擎控制的梗概，嘗試更進(jìn)一步描述MCU在動(dòng)力系統(tǒng)中的一部分工作。SY6esmc

本世紀(jì)初相當(dāng)知名的《汽車工程：動(dòng)力、底盤(pán)系統(tǒng)與車身》一書(shū)就明確[17]，電子引擎控制是從最初采用分立模擬組件達(dá)成燃油控制系統(tǒng)發(fā)展而來(lái)，實(shí)現(xiàn)了高精度的燃油和點(diǎn)火控制。當(dāng)代電子引擎控制系統(tǒng)，已經(jīng)被證明了成本和能源效益。尤其藉由傳感器和控制器的切換輸入，按照運(yùn)行狀態(tài)實(shí)現(xiàn)軟件的重配置就是電子化、數(shù)字化帶來(lái)的價(jià)值。SY6esmc

這種變化從幾十年前汽車局部走向電子化那一刻起就已經(jīng)在發(fā)生了：可見(jiàn)汽車更多組件電子化之后可達(dá)成的收益。SY6esmc

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圖2.3.1：數(shù)字引擎中的微控制器位置；來(lái)源：《汽車工程》[17]SY6esmc

對(duì)于當(dāng)時(shí)的燃油發(fā)動(dòng)機(jī)而言，電子引擎控制系統(tǒng)的主要目標(biāo)是空燃比調(diào)節(jié)、點(diǎn)火時(shí)機(jī)和EGR（廢氣再循環(huán)）控制。圖2.3.1展示了這種電子引擎控制系統(tǒng)的主要組件——MCU微控制器為核心。書(shū)中特別提到了引擎控制所需的指令層面的乘法運(yùn)算加速，并且“相關(guān)ROM包含每種模式的程序，及校準(zhǔn)參數(shù)與查詢表”。SY6esmc

MCU生成輸出信號(hào)，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)燃油噴射器的控制，維持所需的空燃比和點(diǎn)火以優(yōu)化性能。在進(jìn)氣沖程階段，按照空氣量調(diào)節(jié)送往每個(gè)汽缸的燃油量，即可達(dá)成正確的空燃比。MCU會(huì)在此過(guò)程中通過(guò)MAF傳感器獲取MAF（質(zhì)量空氣流量）數(shù)據(jù)，或者采用特定方法來(lái)進(jìn)行計(jì)算。SY6esmc

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，燃油噴射閥開(kāi)啟的情況下，燃油以R_f（gal/sec）的速率流動(dòng)——這由調(diào)節(jié)壓力和閥的幾何形狀達(dá)成。則送往任意汽缸的燃油量F，正比于噴射閥開(kāi)啟的時(shí)間T（F=R_f * T）。SY6esmc

引擎控制系統(tǒng)隨后確定送往每個(gè)汽缸的燃油量，后生成信號(hào)，在合適的時(shí)間間隔T之下，開(kāi)啟燃油噴射閥，就能夠達(dá)成化學(xué)計(jì)量空燃比。與此同時(shí)，對(duì)應(yīng)汽缸的進(jìn)氣沖程送油時(shí)機(jī)，是由傳感器所做曲軸與凸輪軸位置測(cè)量決定的。SY6esmc

2.4 動(dòng)力與底盤(pán)MCU市場(chǎng)參與者與產(chǎn)品

基于2.2與2.3章節(jié)的介紹，不難理解動(dòng)力與底盤(pán)系統(tǒng)相較于其他功能域或系統(tǒng)的MCU通常要求更高的工作溫度和功能安全等級(jí)。這類芯片對(duì)產(chǎn)品及制造商也就有了更高的工程與技術(shù)積累要求。表2.4.1總結(jié)了部分國(guó)內(nèi)外參與動(dòng)力與底盤(pán)系統(tǒng)MCU市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的企業(yè)，及相關(guān)產(chǎn)品。SY6esmc

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表2.4.1：國(guó)內(nèi)外部分動(dòng)力與底盤(pán)MCU廠商及產(chǎn)品SY6esmc

以上僅針對(duì)部分國(guó)內(nèi)外汽車MCU企業(yè)及其產(chǎn)品做出列舉，實(shí)際上當(dāng)前已經(jīng)進(jìn)入到汽車MCU賽道（不限于動(dòng)力與底盤(pán)MCU）的國(guó)內(nèi)企業(yè)與機(jī)構(gòu)超過(guò)了30家。只不過(guò)從1.2章節(jié)的探討不難發(fā)現(xiàn)，國(guó)產(chǎn)汽車MCU的市場(chǎng)份額目前不足10%——芯查查今年提供的市場(chǎng)份額數(shù)據(jù)為，本土汽車MCU市場(chǎng)份額可能不到5%。在動(dòng)力與底盤(pán)MCU領(lǐng)域，該值可能更低。[18]SY6esmc

這一方面表現(xiàn)出國(guó)產(chǎn)汽車MCU與國(guó)際大廠MCU產(chǎn)品間的差距——尤其在動(dòng)力系統(tǒng)、底盤(pán)控制、ADAS等功能域MCU芯片國(guó)產(chǎn)化率仍然比較低；另一方面則表明基于1.2章節(jié)所述市場(chǎng)現(xiàn)狀，國(guó)內(nèi)汽車MCU大有可為的市場(chǎng)前景——中國(guó)作為全球最大的汽車及新能源車增長(zhǎng)市場(chǎng)，車規(guī)級(jí)芯片需求潛力巨大。SY6esmc

針對(duì)動(dòng)力與底盤(pán)MCU芯片產(chǎn)品相對(duì)粗略的分析，此處選擇在我們看來(lái)較有代表性的例子：STMicro的SPC56系列MCU，以及國(guó)芯科技CCFC20xx/CCFC30xx等面向動(dòng)力總成、線盤(pán)控制的MCU。這兩個(gè)探討對(duì)象MCU的核心也都基于Power架構(gòu)。SY6esmc

STMicro的SPC56家族芯片包含有B, C, D, P, L, M, A系列[19]。相關(guān)“車規(guī)”的標(biāo)稱指標(biāo)包括最高結(jié)溫125℃，產(chǎn)品較長(zhǎng)的使用壽命、產(chǎn)品質(zhì)量，以及在高低溫環(huán)境下的性能一致性；基礎(chǔ)性的功能安全I(xiàn)SO26262, IEC61508標(biāo)準(zhǔn)滿足。SY6esmc

性能參數(shù)方面，處理器核心數(shù)有單核與雙核配置，Power架構(gòu)核心自e200z0至z4，32-150MHz核心頻率，128KB-4MB容量閃存資源；安全應(yīng)用方面內(nèi)存支持ECC，ISO26262框架最高至ASIL-D等級(jí)支持，雙核有鎖步（LSM）與解耦并行（DPM）模式兩種支持；外圍支持則有12bit ADC，3.3V-5V輸入/輸出，CAN, LIN, FlexRay與Ethernet連接支持；SY6esmc

此外STMicro也宣傳了基于IEEE標(biāo)準(zhǔn)的emulation和debugging，免費(fèi)的開(kāi)發(fā)環(huán)境與代碼生成，低成本的compiler與debugger等特點(diǎn)。SY6esmc

SPC56家族的芯片并不全部主要針對(duì)動(dòng)力與底盤(pán)系統(tǒng)。比如SPC56的B, C, D產(chǎn)品線針對(duì)的主要是車身與舒適相關(guān)應(yīng)用；而P, L產(chǎn)品線著眼于底盤(pán)與安全相關(guān)應(yīng)用，A, M產(chǎn)品線開(kāi)始特別針對(duì)中端發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)控制和變速器。故而后兩者是本報(bào)告理應(yīng)關(guān)注的重點(diǎn)。SY6esmc

SPC56的P與L產(chǎn)品線面向應(yīng)用涵蓋ABS&ESC、主動(dòng)懸架、電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向、氣囊系統(tǒng)、安全域控制器、制動(dòng)系統(tǒng)、駕駛輔助、高級(jí)三相電機(jī)控制等。P系列除了從e200z0h單核到z0h+z0h雙核配置外，關(guān)鍵功能包括有個(gè)高級(jí)計(jì)時(shí)器（timer）和可編程CTU（Cross-Triggering Unit）便于更簡(jiǎn)易的實(shí)時(shí)、無(wú)傳感器（sensor-less）定向控制（field-oriented）解決方案。SY6esmc

L系列最高120MHz的單核或雙核e200z4d核心，并且著眼于滿足最高ISO26262 ASIL-D等級(jí)；關(guān)鍵安全（safety）特性方面涵蓋鎖步模式、crossbar, eDMA, MPU（內(nèi)存保護(hù)單元）, 溫度傳感器, 中心化的FCCU（fault collection and control unit），內(nèi)置的邏輯與內(nèi)存自檢測(cè)、CRC單元、ECC防護(hù)內(nèi)存，以及電壓與時(shí)鐘故障檢測(cè)。SY6esmc

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圖2.4.2：ST SPC56 A與M系列MCU框圖，其中深色模塊是A系列獨(dú)有；來(lái)源：STMicro[19]SY6esmc

來(lái)到M與A系列——M系列面向發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)控制與變速器控制應(yīng)用，除了80MHz的e200z3核心外，還配有高性能的eTPU（主要用于計(jì)時(shí)控制的協(xié)處理器，用于處理指令和實(shí)時(shí)輸入事件，執(zhí)行輸出波形生成及在無(wú)需host介入的情況下就訪問(wèn)共享數(shù)據(jù)）具備DSP能力；A系列在此基礎(chǔ)上更進(jìn)一步，核心為頻率更高的e200z4d，存儲(chǔ)資源也翻倍了。SY6esmc

STMicro在針對(duì)SPC56 M與A系列的宣傳中提到了M產(chǎn)品線以高性能核心集成DSP和矢量浮點(diǎn)計(jì)算加強(qiáng)，A系列則有額外的存儲(chǔ)資源（I-cache）和雙發(fā)射管線設(shè)計(jì)；另外雙ADC帶可變?cè)鲆孑斎敕糯笃鳎╲ariable-gain input amplifier）與抽取濾波器（decimation filter），支持爆震檢測(cè)集成。SY6esmc

國(guó)內(nèi)市場(chǎng)參與者部分，本報(bào)告選擇國(guó)芯科技的對(duì)應(yīng)產(chǎn)品做簡(jiǎn)略展開(kāi)——且國(guó)芯的MCU產(chǎn)品布局也有利于觀察汽車MCU芯片的國(guó)產(chǎn)替代成果。從國(guó)芯科技的官網(wǎng)來(lái)看，這家公司面向動(dòng)力系統(tǒng)的控制解決方案典型如CCFC2006PT, CCFC2007PT, CCFC3008PT等。[20]SY6esmc

其中不少產(chǎn)品在設(shè)計(jì)上選擇了對(duì)標(biāo)國(guó)際競(jìng)品，比如說(shuō)在線控底盤(pán)控制芯片產(chǎn)品中，也出現(xiàn)了對(duì)標(biāo)ST SPC5系的芯片，如CCFC2012BC/CCFC2011BC對(duì)標(biāo)NXP MPC5604BC/MPC5607B以及ST SPC560B50/SPC560B64系列，且已經(jīng)在客戶的底盤(pán)類產(chǎn)品如變速器、ABS、EPBI等應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)了批量供貨和產(chǎn)品訂單；SY6esmc

面向空氣懸掛系統(tǒng)和CDC懸掛轉(zhuǎn)向控制，CCFC2016BC/CCFC2017BC也進(jìn)入了實(shí)車測(cè)試階段，在市場(chǎng)上取得了一定的成績(jī)；用于線控制動(dòng)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，以及更多應(yīng)用的產(chǎn)品不再詳述。SY6esmc

動(dòng)力總成芯片中，CCFC2003PT對(duì)標(biāo)NXP MPC5634, CCFC2006T對(duì)標(biāo)NXP MPC5554，且已經(jīng)在重型發(fā)動(dòng)機(jī)中得到了實(shí)際應(yīng)用。CCFC2007PT對(duì)標(biāo)NXP MPC5674；CCFC2017BC對(duì)標(biāo)英飛凌CYT2B98, NXP SPC5744B，目前已經(jīng)在頭部主機(jī)廠乘用車發(fā)動(dòng)機(jī)ECU定點(diǎn)開(kāi)發(fā)和測(cè)試；SY6esmc

面向高端動(dòng)力總成的產(chǎn)品CCFC3008PT選擇對(duì)標(biāo)NXP MPC5775，在今年的企業(yè)半年報(bào)中，蘇州國(guó)芯提到“已獲客戶VCU領(lǐng)域應(yīng)用訂單”[9]；CCFC3007PT對(duì)標(biāo)NXP MPC5777，“在國(guó)內(nèi)頭部企業(yè)發(fā)動(dòng)機(jī)ECU進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)”，“獲得多家發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)控制器客戶定點(diǎn)開(kāi)發(fā)”。SY6esmc

值得一提的是，高端定位的CCFC3007PT/CCFC3008PT芯片按照汽車電子Grade 1等級(jí)、信息安全Evita-Full、功能安全ASIL-D等級(jí)進(jìn)行設(shè)計(jì)和生產(chǎn)。SY6esmc

此處針對(duì)CCFC3008PT做簡(jiǎn)單展開(kāi)。從國(guó)芯公開(kāi)的技術(shù)文檔來(lái)看[21]，該系列MCU主要面向動(dòng)力與底盤(pán)控制應(yīng)用，故而著眼于達(dá)到ISO26262 ASIL-D功能安全等級(jí)。內(nèi)部的3個(gè)主核心皆為Power架構(gòu)的C3007，其中1個(gè)核心為專門(mén)的鎖步核心，核心主頻240MHz/300MHz。SY6esmc

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圖2.4.3：國(guó)芯CCFC3008PT框圖；來(lái)源：國(guó)芯科技[21]SY6esmc

I/O處理器為雙發(fā)射的C2004；片上閃存資源5376KB，通用SRAM 832KB；多通道eDMA, 三重INTC中斷控制器，雙鎖相環(huán)、雙crossbar switch架構(gòu)、HSM（硬件安全模塊）、BAM（啟動(dòng)輔助模塊）、SIUL（System Integration Unit Lite）、eTPU最多96通道支持等構(gòu)成本文不再詳述。產(chǎn)品部分信息參見(jiàn)框圖2.4.3。SY6esmc

國(guó)芯科技2024半年報(bào)在研項(xiàng)目情況介紹中提到動(dòng)力總成控制、域控制器芯片CCFC3008PT，“基于40nm工藝設(shè)計(jì)，采用國(guó)芯鎖步CPU核技術(shù)，功能安全達(dá)到ASIL-D等級(jí)”，年中時(shí)的狀態(tài)為“完成量產(chǎn)導(dǎo)入，獲得量產(chǎn)訂單”。SY6esmc

2.5 動(dòng)力與底盤(pán)MCU的基本要求

對(duì)STMicro與國(guó)芯科技面向動(dòng)力與底盤(pán)系統(tǒng)的MCU做舉例介紹，也有利于觀察動(dòng)力與底盤(pán)域MCU的共性與技術(shù)/市場(chǎng)需求。SY6esmc

（1）主要體現(xiàn)在安全性上。大部分車身控制模塊的MCU管理非安全關(guān)鍵型（non-safety-critical）功能；信息娛樂(lè)系統(tǒng)則對(duì)接口、連接、多媒體有著更高的要求，相對(duì)實(shí)時(shí)性與工作溫度及環(huán)境要求就沒(méi)有那么高；而ADAS/AD域作為安全關(guān)鍵型應(yīng)用，同時(shí)又更關(guān)注傳感器融合、圖像處理等能力；SY6esmc

從產(chǎn)品可靠性、穩(wěn)定性、持久性角度來(lái)看，動(dòng)力系統(tǒng)MCU對(duì)高溫需要具備高容忍度；底盤(pán)控制MCU更是需要具備震動(dòng)、潮濕等嚴(yán)苛環(huán)境耐受魯棒性。功能安全角度，如底盤(pán)控制MCU涉及制動(dòng)、轉(zhuǎn)向、安全氣囊等組成部分，高可靠和低錯(cuò)誤容差是基本需求。這些也都是在汽車整個(gè)生命周期內(nèi)需要得到保證的。SY6esmc

且不止于safety相關(guān)的基本需求，TI此前發(fā)布技術(shù)文章[2]提到過(guò)動(dòng)力與底盤(pán)MCU有著安全方面的嚴(yán)苛要求，在功能安全、網(wǎng)絡(luò)安全、高壓安全三個(gè)板塊上，需要更多從芯片自身延伸到系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與工藝考量。網(wǎng)絡(luò)安全與汽車EE架構(gòu)走向電子與數(shù)字化有很大關(guān)系，系統(tǒng)完整性、數(shù)據(jù)可信與安全等都至關(guān)重要。對(duì)此，當(dāng)代汽車MCU也有對(duì)應(yīng)的硬件模塊或技術(shù)（如ST強(qiáng)調(diào)SPC56系列的CSE加密服務(wù)引擎，國(guó)芯科技則在2024半年報(bào)的核心技術(shù)列舉中，特別提到汽車相關(guān)的高可靠芯片設(shè)計(jì)技術(shù)）。SY6esmc

STMicro與國(guó)芯科技面向動(dòng)力控制的MCU產(chǎn)品普遍向ASIL-D看齊，及可能包括ISO 6469, ISO 21434，乃至信息安全相關(guān)的汽車系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)、認(rèn)證與原型滿足安全相關(guān)組件不受數(shù)據(jù)篡改、敏感數(shù)據(jù)受保護(hù)的EVITA等諸多標(biāo)準(zhǔn)目標(biāo)。畢竟這兩個(gè)系統(tǒng)的任何失效或錯(cuò)誤，都可能直接相關(guān)于人身安全。SY6esmc

（2）性能和功能方面，實(shí)際上就汽車不同域的性能需求角度來(lái)看，動(dòng)力與底盤(pán)系統(tǒng)不是對(duì)性能或算力要求最高的部分。但動(dòng)力與底盤(pán)MCU都要求高速數(shù)據(jù)處理與實(shí)時(shí)響應(yīng)能力。SY6esmc

對(duì)于動(dòng)力系統(tǒng)MCU而言，如2.2、2.3章節(jié)所述，這類芯片需要處理引擎控制、燃油噴射、點(diǎn)火時(shí)間、排放控制等復(fù)雜計(jì)算，而且是以實(shí)時(shí)為基礎(chǔ)要求確保效率與性能；同時(shí)要求具備高級(jí)診斷功能乃至預(yù)測(cè)性維護(hù)特性，監(jiān)測(cè)引擎與相關(guān)系統(tǒng)的健康狀態(tài)。SY6esmc

底盤(pán)控制MCU則面對(duì)與各種傳感器交互，為控制算法提供精準(zhǔn)數(shù)據(jù)和結(jié)果的工作。如果將通信能力也放在性能考量部分，則對(duì)各種通信協(xié)議的支持，確保與其他ECU通信的無(wú)縫通信也是其基礎(chǔ)能力；加上安全關(guān)鍵型應(yīng)用需求，超低延遲和快速響應(yīng)能力同樣是標(biāo)配。SY6esmc

（3）其他需求。比如從MCU廠商、芯片設(shè)計(jì)的角度來(lái)看，功能集成及架構(gòu)的伸縮性很重要——STMicro就在宣傳文檔中多番提及SPC56系列芯片架構(gòu)的模塊化和伸縮設(shè)計(jì)，價(jià)值在于可選擇性、靈活性和成本控制；更出色的能效表現(xiàn)，體現(xiàn)在降低整體能耗、有助于續(xù)航里程的電源管理和架構(gòu)的高能效。SY6esmc

從開(kāi)發(fā)者的角度來(lái)看，則要求完善的開(kāi)發(fā)生態(tài)，包括完整的軟件SDK、庫(kù)、工具鏈及參考設(shè)計(jì)，便于開(kāi)發(fā)者加速產(chǎn)品上市時(shí)間；軟件角度的OTA更新特性實(shí)現(xiàn)；以及時(shí)下“軟件定義汽車”趨勢(shì)之下，開(kāi)發(fā)的代碼可復(fù)用與可擴(kuò)展性；2020s正當(dāng)下還有軟件和AI方面的考量，尤其當(dāng)EE架構(gòu)變遷涉及到虛擬化和加速特性等等……SY6esmc

不過(guò)這些需求實(shí)際上并非汽車動(dòng)力與底盤(pán)MCU所獨(dú)有，故而不再做展開(kāi)。SY6esmc