缺芯潮下MCU的国产替代机会与挑战

缺芯潮下MCU的国产替代机会与挑战

在过去的1~2年中，整个汽车电子行业，特别是汽车MCU这一类，面临着一波严重的缺货行情。在这期间，很多主机厂和T1工厂都开始寻求保供。而芯驰E3，从2022年4月推出到市场以来，有相当一部分的项目是以保供和国产替代为主题的。

在这个过程中，我们看到了传统ECU的替代机会。但是对于芯驰的产品，有时能看到更多的机会点，比如随着汽车电子电气架构向集中化发展，一些此前并不被大家关注的应用机会也逐渐呈现出来，包括一些域控制器，不局限于自动驾驶的域控制器、底盘的域控制器，或者是车身的域控制器。接下来的内容，也会突出芯驰产品的特性，以及一些能够匹配应用需求的关键技术点。

挑战方面，芯驰科技的MCU在做汽车应用时，会面对很多方面的挑战，包括但不局限于供货、质量、功能安全和一定程度上的高端替代。

首先，从供货角度来看，芯驰科技一直处于一个比较好的状态，现在芯驰能给到客户的交期是14周，在这样缺货的大背景下，我们的产能是比较乐观的。

第二方面是质量。芯驰现在做的产品都是车规产品，在所有车规产品出货前，都会进行严格的、以AEC-Q100为代表的一系列测试，保证产品的安全性和稳定性。

功能安全是一个比较重要的方面，也是芯驰MCU的特点之一。在E3这个项目之前，芯驰已经通过了ISO 26262 ASIL D的功能安全体系认证。这样的认证，从基因上保证了芯驰产品符合功能安全要求。今年年中，E3产品已经过了TÜV莱茵的功能安全概念认证。最后一个正在攻克的堡垒，是SEooC的ASIL D产品认证，预计在明年的年中完成。

最后一点是高端替代。芯驰产品和规格在算力、存储、接口等方面对标国际先进产品，可以满足一些高端的替代需求。

芯驰科技E3系列 车规MCU及关键技术

这里介绍一下芯驰科技E3系列车规MCU产品家族以及关键技术特点。关键技术特点基本包括了运算、相关的外设、存储、功能安全、信息安全等模块。

首先是E3产品家族的介绍，上图对整个E3产品做了分类，每一个蓝框是一个子系列，不同的子系列有不同的特点。

最左边的这一系列是高可靠系列。最大的特点可以归纳成以下几点：首先是功能安全等级非常高，整个产品计划通过ASIL D级别的产品认证；同时，车规温度等级也比较高，将达到Automotive Grade 1。在汽车中，除了引擎控制器或者变速箱控制器需要Grade 0的ECU，我们的产品在其他应用中都是可以充分覆盖的。其次，这一系列产品拥有相对较高的算力，最多可以支持6个物理上的ARM内核，可以跑到600MHz，未来还会有800MHz的产品。在这一系列高可靠性产品上，我们提供了从LQFP144、LQFP176到BGA324封装的不同型号，它们有不同的主频和内核数量，同时也有外设上的梯度。

接下来介绍这一系列产品所面向的应用。第一类是电动力总成，现在新能源汽车里面最核心的几个部件包括了VCU、EMS和电机的主驱动。第二类是区域控制器网关等应用，有越来越多的车身控制已经与网关融合在一起，构成了一个区域控制器网关应用，不同的汽车形态可能会不一样，有的通过4个区域控制器完成了整个车身的控制，有的厂家可能会进行左车身和右车身的划分。第三类是一个底盘控制器，因为芯驰有LQFP封装的ASIL D产品，可以在相对少的PCB层数，或相对小的芯片面积上完成高功能安全的应用设计，在这部分应用中我们比较关注现在流行的线控底盘。

中间一类是显示类MCU。这一类比较直接，有三个最重要的目标应用，分别是液晶仪表、电子后视镜和抬头显示控制器。针对这些应用我们推出了E3300系列，后面还会介绍到它的芯片框图，包括一些多媒体相关的外设和特殊的硬件引擎，芯驰在做的2D液晶仪表能够达到比较高的规格。

最右边一类是车身控制MCU。它是一个ASIL B等级的产品系列，相对来说温度等级不是特别高，因为这类应用通常对温度没有很高的要求，它能覆盖的应用相对更广一些，包括但不限于T-Box、车身控制器、空调控制器和灯光照明。同时，我们采用单核的R5F作为内核，也能提供比较强的算力，支持LQFP144和LQFP176两种封装，来满足不同的控制器的封装的需求。

上图是E3600系列的框图。接下来，以E3600系列为例，给大家简单介绍E3600系列的特点。首先，可以看到深蓝色的部分是计算内核，这也是芯驰比较重要的一部分内容。E3600系列是32bit的CPU，同时这个ARM CPU具有ASIL D功能安全认证，非常适合用来做高功能安全的MCU。

同时，内核上可以看到深黄色和浅黄色的锁。这表示MCU可以配置成锁步和分立运行的。锁步运行时，整个CPU的诊断覆盖率会非常高，适合完成高功能安全规格的应用。而在分立运行时，可以获得更多独立可编程的内核，这样整体芯片算力就会提高。这是一个比较灵活的设计，因为很多ECU里，既有功能安全的算力，也有非功能安全的算力。

另外，可以看到存储是有MPU存储保护的，每个内核有自己可以访问的存储和寄存器的界限，相互之间不会受到干扰，由硬件去防护。同时，它有FPU可以直接支持硬件的浮点。CPU配置了I-Cache和D-Cache。它跟传统没有Cache的MCU有非常大的差异，这也保证了高性能的内核能充分发挥其性能。

讲完内核部分，再看下存储。存储包含有片内存储和片外存储两种，片内放了比较大的SRAM。目前，E3600系列最大的是4MB SRAM，并且这些SRAM还带有ECC的保护。与此同时，还有外接存储，它可以扩展Flash和RAM。

再往下是一个信息安全模块。信息安全模块对于MCU是比较重要的，我们也会让它做一些信息安全认证，包括国密二级等。整个E3600系列产品，目前都配备了信息安全模块，可以满足各类应用的信息安全需求。

接着会有一个系统管理的模块，里面包括了内置的时钟。主域有24MHz的时钟，还有一个负责低功耗的域叫RTC域，有32KHz的时钟。时钟既可以从外部提供，也可以由内部的RC电路直接提供。同时，里面有一个eFuse，它跟信息安全加密做OTA等有非常重要的关系。此外，还有JTAG和SWD接口，使得我们可以用常规的调试器去调试，如 J-LINK等。

最后，还有一个PMU，PMU内部包括DCDC和LDO控制器，在不需要特别功能安全的情况下，MCU只需要一个3.3V的电压就可以完成供电。在内核供电方面，由内部PMU上的DCDC和LDO提供，同时PMU也方便去接外部的PMIC，来实现功能安全的电源设计。

在外设部分，上图左下角也列了一些主要的点，包括了DMA，DMA搬运是一个提高性能的重要通道。内部会有多个窗比较的看门狗定时器，来保证每个内核的安全运行。虽然在芯片内部，该看门狗是一个硬件看门狗，可以满足ASIL D的系统设计。

往下是两个实时控制的外设，包括了eTimer和ePWM，eTimer可以做数字信号的捕捉，也可以做一些数字信号的软解码，比如SENT信号、正交编码的信号等，甚至可以实现一些数字逻辑功能；ePWM一般用于复杂波形输出。

通信外设部分可以看到千兆以太网TSN，E3600系列上面也配置了两个千兆以太网，整个配置是比较豪华的。同时，TSN在很多汽车应用中有越来越广的使用。其他还包括了FlexRay、SPI等，接口灵活多样。

CAN/CANFD多达24路，LIN/UART是16路。对于域控制器，如果有比较多的传感器和执行器节点，这样的外设配置是游刃有余的。另外还有实时控制相关的外设ADC和模拟比较器。通过以上的介绍，可以初步看到芯片内部的主要功能模块是什么。

下一个产品是显示类MCU。这部分主要介绍下与E3600系列有差异的硬件，媒体功能模块。它首先有一个RGB接口，可以支持到RGB888来实现视频的输入和输出；同时，配备有LVDS接口，芯驰的仪表demo都是通过LVDS接口去实现的。芯片上有并行CSI接口，可以支持720P的视频输入，芯片在做电子后视镜、HUD或仪表时，可能会有视频输入，视频需要通过并行CSI接口接入。E3300内部有芯驰自研的2D GPU实现绘图功能，对于仪表以及HUD应用是比较重要的。再有就是硬件扭曲引擎ASW，它对于做一个高性能的仪表UI，或是做HUD和电子后视镜中的图像畸变矫正、硬件畸变矫是十分关键的。

E3300的外部存储接口也会有些不同，这个系列可以支持SDR和DDR 存储，最高可以到每秒400兆字节的带宽，可以增大图像缓冲区，做出更复杂的仪表UI效果。这颗产品是AEC-Q100 Grade 2的，因为相对来说没有很高的温度要求，BGA324封装，有比较丰富的 IO资源。

最后一个系列是车身E3100系列。就内核来说，它是一个单核的Cortex-R5F，不是锁步运行的，和之前的几个系列存在差异。相对来说，这类应用没有很高的功能等级需求，不需要锁步的内核。同时，这个系列里面还配置了1MB到4MB不等的Flash存储器，来满足相关应用的程序和数据存储需求。这一系列产品更详细的信息可以在上图右边的选型表里看下，总体来说是面向车身应用的通用MCU。

编辑：黄飞