本文從工作要求，性能要求，產業格局，產業壁壘四個維度，分別介紹車身、底盤、動力、座艙四個域的MCU晶片。並整理了國產MCU晶片的應用現狀，供從業人員參考。

1. 控制類晶片介紹

控制類晶片主要是指MCU（Microcontroller Unit），即微控制器，又叫單晶片，是把CPU的主頻與規格做適當縮減，並將記憶體、定時器、A/D轉換、時脈、I/O埠及串列通訊等多種功能模組及介面整合在單一晶片上，實現終端控制的功能，具備效能高、功耗低、可程式化、靈活度高等優點。

車規級MCU示意圖

汽車是MCU的一個非常重要的應用領域，根據IC Insights數據，2019年全球MCU應用於汽車電子的比例約為33%。高階車型每輛車用到的MCU數量接近100個，從行車電腦、液晶儀表，到引擎、底盤，汽車中大大小小的組件都需要MCU進行把控。早期，汽車中應用的主要是8位和16位MCU，但隨著汽車電子化和智慧化不斷加強，所需的MCU數量與品質也不斷提高。目前，32位元MCU在汽車MCU中的佔比已經達到了約60%，其中ARM公司的Cortex系列內核，因其成本低廉，功耗控制優異，是各汽車MCU廠商的主流選擇。

汽車MCU的主要參數包括工作電壓、運行主頻、Flash和RAM容量、定時器模組和通道數、ADC模組和通道數量、串行通訊介面種類和數量、輸入輸出I/O口數量、工作溫度、封裝形式及功能安全等級等。

依CPU位數劃分，汽車MCU主要可分為8位、16位和32位。隨著製程升級，32位MCU成本不斷下降，目前已成為主流，逐漸取代過去由8/16位MCU主導的應用和市場。

若依應用領域劃分，汽車MCU又可分為車身域、動力域、底盤域、座艙域及智駕域。其中對於座艙域和智駕域來說，MCU需要有較高的運算能力，並具有高速的外部通訊接口，例如CAN FD和以太網，車身域同樣要求有較多的外部通訊接口數量，但對MCU的算力要求相對較低，而動力域和底盤域則要求較高的工作溫度和功能安全等級。

2. 底盤域控制晶片

底盤域是與汽車行駛相關，由傳動系統、行駛系統、轉向系統和煞車系統共同構成，有五大子系統構成，分別為轉向、煞車、換檔、油門、懸吊系統，隨著汽車智能化發展，智慧汽車的感知辨識、決策規劃、控制執行為底盤域核心系統，線控轉向和線控制動是面向自動駕駛執行端的核心零件。

（1）工作要求

底盤域ECU採用高性能、可升級的功能安全性平台，並支援感測器群集及多軸慣性感知器。基於這個應用場景，對底盤域MCU提出以下需求：

· 高主頻和高算力需求，主頻不低於200MHz且算力不低於300DMIPS

· Flash儲存空間不低於2MB，具有代碼Flash和資料Flash實體分割區；

· RAM不低於512KB；

· 高功能安全等級要求，可達到ASIL-D等級；

· 支援12位元精度ADC；

· 支援32位元高精度，高同步性定時器；

· 支援多通道CAN-FD；

· 支援不低於100M乙太網路；

· 可靠性不低於AEC-Q100 Grade1；

· 支持線上升級（OTA）；

· 支援韌體驗證功能（國密演算法）；

（2）性能要求

· 內核部分：

I.核心主頻：即核心工作時的時脈頻率，用來表示核心數位脈衝訊號震蕩的速度，主頻不能直接代表核心的運算速度。核心的運算速度還和核心的管線、快取、指令集等有關係；

II.算力：通常可以使用DMIPS來進行評估。 DMIPS是指測量MCU綜合的基準程序的測試程序時所表現出來的相對性能高低的單位。

· 記憶體參數：

I.代碼記憶體：用於存放代碼的記憶體；

II.資料記憶體：用於存放資料的記憶體；

III.RAM：用於存放暫存資料和代碼的記憶體。

· 通訊匯流排：包括汽車專用匯流排和常規通訊匯流排；

· 高精度週邊；

· 工作溫度；

（3）產業格局

由於不同車廠採用的電子電氣架構會有所區別，因此對底盤域的零件需求會有所不同。同一車廠的不同車型由於高低配置不同，對底盤域的ECU選擇也會不一樣。這些區分都會造成對底盤域的MCU需求會有所不同。例如本田雅閣的底盤域MCU晶片使用了3顆，奧迪Q7採用了大約11顆底盤域的MCU晶片。 2021年中國品牌乘用車產量約1000萬輛，其中單車底盤域MCU平均需求量為5顆，整個市場總量就達到了約5000萬顆。整個底盤域MCU的主要供貨商為英飛凌、恩智浦、瑞薩、Microchip、TI和ST。這五家國際半導體廠商在底盤域MCU的市場佔比超過了99%。

（4）產業壁壘

關鍵技術角度，EPS、EPB、ESC等底盤域的零件均與駕駛者的生命安全息息相關，因此對底盤域MCU的功能安全等級要求非常高，基本上都是ASIL-D等級的要求。這個功能安全等級的MCU國內屬於空白。除了功能安全等級，底盤域零件的應用場景對MCU的主頻、算力、記憶體容量、外設性能、外設精度等方面均有非常高的需求。底盤域MCU形成了非常高的產業壁壘，需要國產MCU廠商去挑戰和攻破。

供應鏈方面，由於底盤域零件需要控制晶片具有高主頻、高算力的要求，這對晶圓生產的製程和製程方面提出了比較高的要求。目前看來至少需要55nm以上的製程才能滿足200MHz以上的MCU主頻要求。在這個方面國內的車規MCU產線尚不完備，也沒有達到量產等級。國際半導體廠商基本上都採用了IDM模式，在晶圓代工廠方面，目前只有台積電、聯華電子和格芯具備相應能力。國內晶片廠商均為Fabless公司，在晶圓製造和產能保證上面有挑戰和一定的風險。

在自動駕駛等核心運算場景中，傳統通用CPU由於運算效率低，難以適應AI運算要求，GPU、FPGA以及ASIC等AI晶片憑藉著自身特點，在邊緣與雲端有著優異表現，應用更廣。從技術趨勢來看，短期內GPU仍將是AI晶片主導，長期來看，ASIC是終極方向。從市場趨勢來看，全球AI晶片需求將維持較快成長勢頭，雲端、邊緣晶片均具備較大成長潛力，預計未來5年市場成長速度將接近50%；國內晶片技術雖然基礎較弱，但隨著AI應用的快速落地，AI晶片需求快速放量為本土晶片企業技術與能力成長創造機會。自動駕駛對算力、延遲和可靠性要求嚴苛，目前多使用GPU+FPGA的解決方案，後續隨著演算法的穩定性以及數據驅動，ASIC可望獲得市場空間。

CPU晶片上需要很多空間來進行分支預測與最佳化，保存各種狀態以降低任務切換時的延遲。這也使得其更適合邏輯控制、串列運算與通用類型資料運算。以GPU與CPU進行比較為例，與CPU相比，GPU 採用了數量眾多的運算單元和超長的管線，只有非常簡單的控制邏輯併省去了Cache。而CPU 不僅被Cache 佔據了大量空間，而且還有複雜的控制邏輯和諸多優化電路，相較之下運算能力只是很小的一部分。

3. 動力域控制晶片

動力域控制器是一種智慧化的動力總成管理單元。透過CAN/FLEXRAY實現變速箱管理，電池管理，監控交流發電機調節，主要用於動力總成的最佳化與控制，同時兼具電氣智慧故障診斷智慧節電、總線通訊等功能。

（1）工作要求

動力域控制MCU可支援BMS等動力方面的主要應用，其需求如下：

· 高主頻，主頻600MHz~800MHz

· RAM 4MB

· 高功能安全等級要求，可達到ASIL-D等級；

· 支援多通道CAN-FD；

· 支援2G乙太網路；

· 可靠性不低於AEC-Q100 Grade1；

· 支援韌體驗證功能（國密演算法）；

（2）性能要求

高效能：產品整合了ARM Cortex R5雙核心鎖步CPU和4MB片內SRAM以支援汽車應用對於算力和記憶體日益增長的需求。 ARM Cortex-R5F CPU主頻高達800MHz。

高安全：車規可靠度標準AEC-Q100達到Grade 1級別，ISO26262功能安全等級達到ASIL D。採用的雙核心鎖步CPU，可達到高達99%的診斷覆蓋率。內建的資訊安全模組整合真隨機數產生器、AES、RSA、ECC、SHA以及符合國密商密相關標準的硬體加速器。這些資訊安全功能的整合可以滿足安全啟動、安全通訊、安全韌體更新升級等應用的需求。

4. 車身域控制晶片

車身域主要負責車身各種功能的控制。隨著整車發展，車身域控制器也越來越多，為了降低控制器成本，降低整車重量，整合化需要把所有的功能裝置，從車頭的部分、車中間的部分和車尾的部分如後煞車燈、後位置燈、尾門鎖、甚至雙撐桿統一整合到一個總的控制器裡面。

車身網域控制器一般整合BCM、PEPS、TPMS、Gateway等功能，也可拓展增加座椅調整、後視鏡控制、空調控制等功能，綜合統一管理各執行器，合理有效分配系統資源。車身網域控制器的功能眾多，如下圖所示，但不限於在此列舉的功能。

車身網域控制器功能表

（1）工作要求

汽車電子對MCU控制晶片的主要訴求為更好的穩定性、可靠性、安全性、即時性等技術特性要求，以及更高的運算效能和儲存容量，更低的功耗指標要求。車身域控制器從分散化的功能部署，逐漸過渡到整合所有車身電子的基礎驅動、鑰匙功能、車燈、車門、車窗等的大控制器，車身域控制系統設計綜合了燈光、雨刮洗滌、中控門鎖、車窗等控制，PEPS智慧鑰匙、電源管理等，以及網關CAN、可擴充CANFD和FLEXRAY、LIN網路、乙太網路等介面和模組等多方面的開發設計技術。

在整體上講，車身域上述各種控制功能對MCU主控晶片的工作要求主要體現在運算處理性能、功能整合度和通訊接口，以及可靠性等方面。具體要求方面由於車身域不同功能應用場景的功能差異性較大，例如電動車窗、自動座椅、電動尾門等車身應用還存在高效電機控制方面的需求，這類車身應用要求MCU集成有FOC電控演算法等功能。此外，車身域不同應用場景對晶片的介面配置需求也不盡相同。因此，通常需要根據特定應用場景的功能和性能要求，並在此基礎上綜合衡量產品性價比、供貨能力與技術服務等因素進行車身域MCU選型。

（2）性能要求

車身域控制類MCU晶片主要參考指標如下：

· 效能：ARM Cortex-M4F @144MHz，180DMIPS，內建8KB指令Cache緩存，支援Flash加速單元執行程式0等待。

· 大容量加密記憶體：高達512K Bytes eFlash，支援加密儲存、分割區管理及資料保護，支援ECC校驗，10萬次擦寫次數，10年資料保持；144K Bytes SRAM，支援硬體奇偶校驗。

· 整合豐富的通訊介面：支援多路GPIO、USART、UART、SPI、QSPI、I2C、SDIO、USB2.0、CAN 2.0B、EMAC、DVP等介面。

· 整合高效能類比元件：支援12bit 5Msps高速ADC、軌對軌獨立運算放大器、高速類比比較器、12bit 1Msps DAC；支援外部輸入獨立參考電壓源，多通道電容式觸控按鍵；高速DMA控制器。

· 支援內部RC或外部晶體時鐘輸入、高可靠性重設。

· 內建可校準的RTC即時時鐘，支援閏年萬年曆，鬧鐘事件，週期性喚醒。

· 支援高精度定時計數器。

· 硬體級安全特性：密碼演算法硬體加速引擎，支援AES、DES、TDES、SHA1/224/256，SM1、SM3、SM4、SM7、MD5演算法；Flash儲存加密，多用戶分區管理（MMU），TRNG真隨機數產生器，CRC16/32運算；支援寫入保護（WRP），多種讀取保護（RDP）等級（L0/L1/L2）；支援安全啟動，程式加密下載，安全更新。

· 支援時鐘失效監測，防拆監測。

· 具有96位元UID及128位元UCID。

· 高可靠工作環境：1.8V～3.6V/-40℃～105℃。

（3）產業格局

車身域電子系統不論是對國外企業還是國內企業都處於成長初期。國外企業在如BCM、PEPS、門窗、座椅控制器等單功能產品上有深厚的技術積累，同時各大外企的產品線覆蓋面較廣，為他們做系統集成產品奠定了基礎。而國內企業新能源車車身應用上具有一定優勢。以BYD為例，在BYD的新能源車上，將車身域分為左右後三個域，重新佈局並定義系統整合的產品。但在車身域控制晶片方面，MCU的主要供貨商為仍為英飛凌、恩智浦、瑞薩、Microchip、ST等國際晶片廠商，國產晶片廠商目前市場佔有率低。

（4）產業壁壘

從通訊角度來看，存在著傳統架構-混合架構-最終的Vehicle Computer Platform的演進過程。這裡面通訊速度的變化，還有高功能安全的基礎算力的價格降低是關鍵，未來有可能逐步實現在基礎控制器的電子層面相容不同的功能。例如車身網域控制器能夠整合傳統BCM、PEPS、漣波防夾等功能。相對來說，車身域控制晶片的技術壁壘要低於動力域、駕駛座等，國產晶片可望率先在車身域取得較大突破並逐步實現國產替代。近年來，國產MCU在車身域前後裝市場已經有了非常良好的發展動能。

5. 座艙域控制晶片

電動化、智慧化、網路化加快了汽車電子電氣架構向域控方向發展，座艙域也在從車載影音娛樂系統到智慧座艙快速發展。座艙以人機互動介面呈現出來，但不管是之前的資訊娛樂系統還是現在的智慧座艙，除了有一顆運算速度強大的SOC，還需要一顆即時性高的MCU來處理與整車的資料互動。軟體定義汽車、OTA、Autosar在智慧座艙域的逐漸普及，使得對座艙域MCU資源需求也越來越高。具體體現在FLASH、RAM容量需求越來越大，PIN Count需求也在增多，更複雜的功能需要更強的程式執行能力，同時還要有更豐富的匯流排介面。

（1）工作要求

MCU在座艙域主要實現系統電源管理、上電時序管理、網路管理、診斷、整車資料互動、按鍵、背光管理、音訊DSP/FM模組管理、系統時間管理等功能。

MCU資源需求：

· 對主頻和算力有一定要求，主頻不低於100MHz且算力不低於200DMIPS；

·  Flash儲存空間不低於1MB，具有代碼Flash和資料Flash實體分割區；

·  RAM不低於128KB；

· 高功能安全等級要求，可達到ASIL-B等級；

· 支援多路ADC；

· 支援多路CAN-FD；

· 車規等級AEC-Q100 Grade1；

· 支援線上升級（OTA），Flash支援雙Bank；

· 需有SHE/HSM-light等級及以上資訊加密引擎，支援安全啟動；

·  Pin Count不低於100PIN；

（2）性能要求

·  IO支援寬電壓供電（5.5v~2.7v），IO口支援過壓使用；

許多訊號輸入根據供電電池電壓波動，有過壓輸入狀況，IO口支援過壓使用能提升系統穩定、可靠性。

· 記憶體壽命：

汽車生命週期長達10年以上，因此汽車MCU程式儲存、資料儲存需要有更長的壽命。程式儲存和資料儲存需要有單獨實體分區，其中程式儲存擦寫次數較少，因此Endurance>10K即可，資料儲存需要頻繁擦寫，需要有較大的擦寫次數，參考data flash指標Endurance>100K , 15年(<1K),10年(<100K)。

· 通訊匯流排介面；

汽車上匯流排通訊負載量越來越高，因此傳統CAN已無法滿足通訊需求，高速CAN-FD匯流排需求越來越高，支援CAN-FD逐漸成為MCU標配。

（3）產業格局

目前國產智慧座艙MCU佔比還很低，主要供應商仍是NXP、 Renesas、Infineon、ST、Microchip等國際MCU廠商。國內有多家MCU廠商已在佈局，市場表現仍有待觀察。

（4）產業壁壘

智慧座艙車規等級、功能安全等級相對不太太高，主要是know how方面的積累，需要不斷的產品迭代和完善。同時由於國內晶圓廠有車規MCU產線的不多，製程也相對落後一些，若要實現全國產供應鏈需要一段時間的磨合，同時可能還存在成本更高的情況，與國際廠商競爭壓力更大。

6. 國產控制晶片應用情況

車載控制晶片主要以車載MCU為主，國產龍頭企業如紫光國微、華大半導體、上海芯鈦、兆易創新、傑髮科技、芯馳科技、北京君正、深圳曦華、上海琪埔維、國家技術等，均有車規級MCU產品序列，對標海外巨頭產品，目前以ARM架構為主，也有部分企業進行了RISC-V架構的研發。

目前國產車載控制域晶片主要應用於汽車前裝市場，在車身域、資訊娛樂域實現了上車應用，而在底盤、動力域等領域，仍以海外意法半導體、恩智浦、德州儀器、微芯半導體、意法等晶片巨頭為主，國內僅有少數幾家企業已實現量產應用。目前國內晶片廠商芯馳在2022年4月發布高性能控制晶片E3系列產品基於ARM Cortex-R5F，功能安全等級達到ASIL D，溫度等級支援AEC-Q100 Grade 1，CPU主頻高達800MHz，具有高達6個CPU內核，是現有量產車規MCU中性能最高的產品，填補國內高階高安全等級車規MCU市場的空缺。芯馳E3憑藉高性能和高可靠性，可用於BMS、ADAS、VCU、線控底盤、儀表、HUD、智慧後視鏡等核心車控領域。採用E3進行產品設計的客戶已經超過100多家，包含廣汽、吉利等。

國產控制器芯產品應用情形

來源：半導體封裝工程師之家