解析车规级MCU的技术难点

前言

近日，四维图新旗下全资子公司AutoChips杰发科技对外宣布，其车规级MCU产品线又添重量级新成员——AC7801X，这是杰发科技继2018年底量产的国内首颗车规级MCU 芯片——AC7811之后，又一颗32位Cortex-M0+车规级MCU芯片投放市场，标志着国产自主车规MCU又前进了一步，打破国外芯片厂商多年的行业垄断，为国内汽车半导体行业树立新的标杆。

MCU是什么

MCU （Microcontroller Unit） 是微控制单元的英文缩写，又称单片机或微控制器。通俗点来讲，MCU就是一台计算机，但是它是微型的计算机，计算机通常包括运算器、计时器、输入输出、接口和内存等等，MCU只是将这些东西集成在了一颗芯片上，然后将这颗芯片应用在不同的产品里，实现对产品的运算和控制。

MCU广泛应用在不同领域。一般分为8位，16位和32位，不同位数对应不同的细分领域：8位单片机常见的应用产品如：计算器、玩具、计量秤、充电器、温湿度计、遥控器、马达控制器、键盘等；16位到32位MCU主要应用于智能家居、物联网、汽车电子、电机驱动、安防等。其实，MCU离我们并不远，在我们日常接触的电子产品里，都有一颗非常神奇的芯片，它就是功能强大的MCU。

车规级MCU的技术难点

芯片被誉为现代工业的“粮食”，也是现代科技“皇冠上的明珠”。小到一个加湿器，大到一个航天飞机，作为整个信息控制系统的“大脑”，MCU其实无处不在。所以，不同应用市场对MCU的规格要求也不尽相同，我们根据MCU用途等级，一般可分为商业级，工业级，汽车级和军工级：

可以看出，不论从对工作温度，交付良率还是工作寿命的要求来看，主要针对消费类电子的商业级MCU相对较低，其次是针对工业电脑、器械控制的工业级MCU，而汽车电子所采用的车用MCU，则是要求和难度要远高于前两种，仅次于军工级。

在汽车电子芯片领域，MCU的应用范围非常广，从车身动力总成，到车身控制、信息娱乐、辅助驾驶，从发动机控制单元，到雨刷、车窗、电动座椅、空调等控制单元，每一个功能的实现背后都需要复杂的芯片组支撑，其中MCU扮演最重要的角色。在一辆汽车所装备的所有半导体器件中，MCU大概占三成，平均下来每辆车要用到70颗以上的MCU芯片。需要实现车内各类应用场景的同时，还要对安全性有足够保证，这也是对车用MCU本身的功能、可靠性、工作温度等要求严苛的原因。

汽车电子的品质标准一直以来都比一般消费性电子产品要严格。试想一下，一个玩具坏了可以修或者换个玩具，而一辆汽车使用过程中要使用到一万多个零件，假如任何一个零件出现问题，对于消费者而言都有可能造成极大的困难，甚至危及生命安全。所以满足汽车产品要求远比想象的要复杂，为了明确界定这个要求，自然也会有相关规范标准，针对芯片领域，AEC Q100是公认的行业标准之一，也是车规级MCU芯片必须达到的标准。

下面我们就围绕AECQ100中比较典型的标准要求，来看看车规级MCU具体难在哪里：

环境要求

首先是温度：汽车电子对元件的工作温度要求比较宽，根据不同的安装位置等有不同的需求，但一般都要高于民用产品的要求，比如发动机舱：-40℃-150℃；车身控制：-40℃-125℃；而消费类产品只需要达到：0℃-70℃。

其它环境要求：湿度，发霉，粉尘，水，EMC，以及有害气体侵蚀等等往往都高于消费电子产品要求。

运行稳定要求

汽车在行进过程中会遭遇更多的振动和冲击。这种要求可能会比摆放在家里使用的产品要高很多。此外，汽车对器件的抗干扰性能要求极高，包括抗ESD静电，EFT群脉冲，RS传导辐射等，MCU在这些干扰下需要做到不损坏、不死机、不复位。

可靠性要求

这里的可靠性主要包含两个方面：首先是使用寿命要可靠：一般的汽车设计寿命都在 15 年 20 万公里左右，远大于消费电子产品寿命要求。 其次是汽车系统组成的部件要可靠：目前车上的电子化程度已经非常高了，从动力总成到制动系统，都装配了大量的电子装置，每个装置里面又由很多的电子元件组成。如果就简单的把它们看成串联关系，那么要保证整车达到相当的可靠性，对系统组成的每一个部分要求是非常高的。

一致性要求

现在的汽车已经进入到了一个大规模生产的阶段的，一款车 1 年可以生产数十万辆，所以这对产品质量的一致性要求就非常高了。这在早些年对于半导体材料来说，是挺有挑战的。

毕竟生产半导体中的扩散等工艺的一致性是很难控制的，生产出来的产品性能易离散，早期只能依靠老化和筛选来完成，现在随着工艺的不断提高，一致性得到极大提高。质量的一致性也是很多本地供应商和国际知名供应商的最大差异。对于组成复杂的汽车产品来说，一致性差的元件导致整车出现安全隐患是肯定不能接受的。

产品生命周期要求

虽然近些年，汽车产品不断的降价，但汽车还是一个耐用的大件商品，产品使用周期要达到15年以上，最为汽车零部件供应商，必须要保持相当长的时间的售后配件的供应能力。同时开发一个汽车零件需要投入大量的验证工作，更换元件带来的验证工作也是巨大的，所以整车制造企业和零部件供应商也需要维持较长时间的稳定供货。

良率要求

车规级MCU产品需要有批量一致性。如何把产品的不良率做到1DPPM（defective parts per million的缩写。是指百万分比的缺陷率 ）以下，这对芯片设计、制造、封测各环节都是一个非常大的挑战，车规芯片的工艺技术难度远大于消费电子类芯片。

国产MCU面临的困难和挑战

作为第三次工业革命的引爆点，以芯片为代表的半导体行业催生了电脑、移动互联网、通信技术、工业数字化等一系列重要变革。可以说，芯片技术是现代科技的核心竞争力之一，代表了一个国家的科技水准与创新想象力。作为高速增长的全球第二大经济体，中国在芯片与集成电路领域进口额已连续多年超过2000亿美元，并在2013年取代石油成为最大宗进口产品。所以， “芯片已成为中国经济增长的命脉之一”，已经不是一句空话。

在汽车向智能化的演进过程中，对安全、环保要求越来越高，因此对MCU的需求增长更快。IC Insights预测，车用MCU销售额将在2020年接近65亿美元，并在2023年达到81亿美元。 然而，目前国内车用MCU市场仍然是瑞萨、恩智浦、德州仪器、英飞凌、赛普拉斯、意法半导体等国外半导体厂商的天下，而 中国制造仍然处于奋力追赶的阶段，主要是因为车规级MCU芯片研发周期长，设计门槛高，资金投入大，使得国内很多厂商望而却步。

杰发科技车规级MCU产品布局

无论从标准的严苛要求，还是国外垄断的局势，都可以看出国产车用芯片难度之高，毕竟，汽车电子涉及到行车安全，生命安全，行业的特殊性决定了芯片厂商必须具备极高的专业度。

作为目前国内目前唯一一家专注于汽车电子的芯片设计公司，四维图新旗下杰发科技接受挑战。研发团队从2010年组建之初就开始进军车载信息娱乐芯片，经过多年发展，在IVI后装市场市占率已达到70％。随后投入车规级MCU的研发， 用3年的时间于2018年12月推出了车规级32位MCU芯片—AC781X。

首先，AC781X是国内自主研发首颗达成量产的车规级32位MCU芯片，预示着国产芯片在该领域打破国际垄断，实现零的突破。AC781X的成功量产，得到了市场的广泛关注及认可，并相继在一些客户项目中投入开发和批量采用。

随后，针对不同细分市场及功能需求，杰发科技对AC781X进行了产品功能的优化及成本控制，并于近日成功推出了AC7801X系列车规级MCU，也就是本文开篇所提到的。与AC781X系列相比，AC7801X在功能上更加细分， 同时也可以为客户降低相应的成本。在性能方面，AC7801X采用ARM®Cortex-M0+内核，48MHz主频，工作温度支持-40℃~125℃，工作电压支持2.7V~5.5V，增加CAN-FD接口，兼容CAN2.0B，两路LIN接口，同时采用了48PIN、32PIN、20PIN三种封装形式，极大地提升了AC7801X的适配灵活度及低功耗、高可靠性优势，AC7801X的目标应用主要集中与汽车车身控制、冷却、照明系统，同时也可应用于高可靠性工业领域，如水泵、油泵、工业风机、电机等产品控制系统。AC7801X MCU的成功推出，丰富了杰发科技MCU产品系列，扩大了AutoChips MCU终端应用范围，也满足了客户针对国产车规级MCU的迫切需求。

未来，随着国家智能汽车发展战略的不断深入，汽车智能化水平将不断提高，这给发展中的国内MCU行业带来了巨大机遇与挑战，针对车用MCU的产品品质、功能安全、算力、控制精度、接口类型等也提出了更高的要求。杰发科技在现有车规MCU产品系列基础上，瞄准行业前沿应用技术，持续发力，目前已相继布局、投入研发团队开发下一代高性能车规MCU——AC7821、AC7825系列，进一步打破国产自主高性能车规MCU的市场空白。

写在最后：业内人士认为，国产芯片要真正实现突破，不仅要紧跟前沿技术发展趋势，更要与下游应用产业融合，联合各行业加快相关应用方案落地、加速迭代。随着产品更新换代和新兴应用的快速发展，未来32位MCU是市场主流这是毋庸置疑的。
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