制御クラスチップの導入
制御チップとは、主にMCU（マイクロコントローラユニット）を指します。つまり、マイクロコントローラはシングルチップとも呼ばれ、CPUの周波数と仕様を適切に削減し、メモリ、タイマー、A/D変換、クロック、I/Oポート、シリアル通信などの機能モジュールとインターフェースを1つのチップに統合したものです。端末制御機能を実現し、高性能、低消費電力、プログラマブル、高柔軟性といった利点を備えています。
車両ゲージレベルのMCU図
車載分野はMCUの非常に重要な応用分野です。IC Insightsのデータによると、2019年の世界全体の車載エレクトロニクスにおけるMCUの応用は約33%を占めています。高級車1台あたりに搭載されているMCUの数は100個近くに上り、運転席コンピューター、LCDメーター、エンジン、シャーシなど、車内の大小さまざまな部品にMCU制御が求められています。
初期の自動車では、8ビットおよび16ビットのMCUSが主に使用されていましたが、自動車の電子化とインテリジェント化が継続的に進むにつれて、求められるMCUSの数と品質も増加しています。現在、車載MCUSにおける32ビットMCUSの割合は約60%に達しており、その中でARM Cortexシリーズカーネルは、低コストと優れた電力制御により、車載MCUメーカーの主流となっています。
車載用 MCU の主なパラメータには、動作電圧、動作周波数、フラッシュおよび RAM 容量、タイマー モジュールとチャネル番号、ADC モジュールとチャネル番号、シリアル通信インターフェイスのタイプと番号、入出力 I/O ポート番号、動作温度、パッケージ形式、機能安全レベルなどがあります。
車載用MCUSは、CPUのビット数によって大きく分けて8ビット、16ビット、32ビットに分けられます。プロセスの高度化に伴い、32ビットMCUSのコストは低下し続け、現在では主流となり、従来8/16ビットMCUSが主流であったアプリケーションや市場を徐々に置き換えつつあります。
車載MCUは、応用分野別に分けると、ボディドメイン、パワードメイン、シャーシドメイン、コックピットドメイン、インテリジェントドライビングドメインに分けられます。コックピットドメインとインテリジェントドライビングドメインでは、MCUに高い演算能力と、CAN FDやEthernetなどの高速外部通信インターフェースが求められます。ボディドメインでも多数の外部通信インターフェースが必要ですが、MCUの演算能力要件は比較的低く、パワードメインとシャーシドメインでは、より高い動作温度と機能安全レベルが求められます。
シャーシドメイン制御チップ
シャシー領域は車両の運転に関連し、トランスミッションシステム、駆動システム、ステアリングシステム、ブレーキシステムで構成されています。さらに、ステアリング、ブレーキ、シフト、スロットル、サスペンションの5つのサブシステムで構成されています。自動車の知能化の進展に伴い、インテリジェント車両の知覚認識、意思決定計画、制御実行はシャシー領域の中核システムとなっています。ステアリング・バイ・ワイヤとドライブ・バイ・ワイヤは、自動運転の実行側における中核コンポーネントです。
（１）職務要件
シャーシドメインECUは、高性能でスケーラブルな機能安全プラットフォームを採用し、センサークラスタリングと多軸慣性センサーをサポートしています。このアプリケーションシナリオに基づき、シャーシドメインMCUには以下の要件が提案されています。
· 高周波および高計算能力要件、主周波数は200MHz以上、計算能力は300DMIPS以上
· フラッシュ ストレージ スペースは 2MB 以上で、コード フラッシュとデータ フラッシュの物理パーティションを備えています。
· RAM 512KB以上
· 高い機能安全レベル要件、ASIL-D レベルに到達可能。
· 12 ビット精度 ADC をサポート。
· 32 ビットの高精度、高同期タイマーをサポートします。
· マルチチャンネル CAN-FD をサポートします。
· 100M 以上のイーサネットをサポートします。
· AEC-Q100 グレード1以上の信頼性。
· オンラインアップグレード (OTA) をサポートします。
· ファームウェア検証機能（国家秘密アルゴリズム）をサポート。
（２）パフォーマンス要件
· カーネル部分:
I. コア周波数：つまり、カーネルが動作している時のクロック周波数であり、カーネルのデジタルパルス信号の発振速度を表すために使用されます。メイン周波数はカーネルの計算速度を直接表すものではありません。カーネルの動作速度は、カーネルのパイプライン、キャッシュ、命令セットなどにも関連しています。
II. コンピューティング能力：DMIPSは通常、評価に使用されます。DMIPSは、MCUに統合されたベンチマークプログラムをテストする際の相対的なパフォーマンスを測定する単位です。
· メモリパラメータ:
I. コードメモリ: コードを格納するために使用されるメモリ。
II. データメモリ: データを保存するために使用されるメモリ。
III.RAM: 一時的なデータやコードを保存するために使用されるメモリ。
・通信バス：自動車専用バスおよび従来の通信バスを含む。
· 高精度周辺機器
· 動作温度;
（３）産業パターン
自動車メーカーによって採用されている電気・電子アーキテクチャが異なるため、シャシー領域のコンポーネント要件も異なります。同じ自動車工場でもモデルによって構成が異なるため、シャシー領域のECU選択も異なります。これらの違いにより、シャシー領域のMCU要件も異なります。例えば、ホンダアコードは3つのシャシー領域MCUチップを使用し、アウディQ7は約11個のシャシー領域MCUチップを使用しています。2021年の中国ブランド乗用車の生産台数は約1,000万台で、そのうち自転車シャシー領域MCUSの平均需要は500万台で、市場規模は約5,000万台に達しています。シャシー領域全体のMCUSの主なサプライヤーは、インフィニオン、NXP、ルネサス、マイクロチップ、TI、STです。これら5つの国際半導体ベンダーは、シャシー領域MCUS市場の99%以上を占めています。
（4）業界の障壁
重要な技術的観点から見ると、EPS、EPB、ESCなどのシャシードメインコンポーネントは、運転者の生命安全に密接に関連しているため、シャシードメインMCUの機能安全レベルは非常に高く、基本的にASIL-Dレベルの要件を満たしています。中国では、この機能安全レベルのMCUは未だ空白状態です。機能安全レベルに加えて、シャシーコンポーネントの応用シナリオでは、MCU周波数、コンピューティング能力、メモリ容量、周辺機器の性能、周辺機器の精度など、非常に高い要件が課されています。シャシードメインMCUは非常に高い業界障壁を形成しており、国内MCUメーカーは挑戦し、これを打破する必要があります。
サプライチェーンの面では、シャーシドメインコンポーネントの制御チップに対する高周波と高計算能力の要件により、ウェハ製造のプロセスと工程に比較的高い要件が課されています。現在、200MHzを超えるMCU周波数要件を満たすには、少なくとも55nmプロセスが必要であるようです。この点で、国内のMCU生産ラインは完成しておらず、量産レベルに達していません。国際的な半導体メーカーは基本的にIDMモデルを採用しており、ウェハファウンドリに関しては、現在TSMC、UMC、GFのみが対応する能力を持っています。国内のチップメーカーはすべてファブレス企業であり、ウェハ製造と生産能力保証には課題と一定のリスクがあります。
自動運転などのコアコンピューティングシナリオにおいて、従来の汎用CPUは計算効率が低いため、AIコンピューティングの要件への適応が困難です。一方、GPU、FPGA、ASICなどのAIチップは、エッジやクラウドで優れた性能を発揮し、それぞれ独自の特徴を備え、広く利用されています。技術動向の観点から見ると、短期的にはGPUが依然としてAIチップの主流であり、長期的にはASICが最終的な方向性を定めるでしょう。市場動向の観点から見ると、AIチップの世界的な需要は急速な成長を維持し、クラウドおよびエッジチップはより大きな成長ポテンシャルを秘めており、今後5年間の市場成長率は50%近くに達すると予想されています。国内のチップ技術基盤は脆弱ですが、AIアプリケーションの急速な普及に伴い、AIチップの需要が急増しており、国内チップ企業の技術力と能力の成長にチャンスが生まれています。自動運転は、コンピューティング能力、遅延、信頼性に対する厳しい要件を伴います。現在、GPU + FPGAソリューションが主に使用されていますが、アルゴリズムの安定性とデータ駆動型であることから、ASICが市場シェアを拡大すると予想されます。
CPUチップは、分岐予測と最適化のために多くのメモリを必要とします。これにより、様々な状態を保存し、タスク切り替えのレイテンシを削減します。これにより、CPUはロジック制御、シリアル演算、汎用データ演算にもより適しています。GPUとCPUを例に挙げると、CPUと比較して、GPUは多数の演算ユニットと長いパイプラインを使用し、非常にシンプルな制御ロジックのみを備え、キャッシュは不要です。一方、CPUはキャッシュによって多くのメモリを占有するだけでなく、複雑な制御ロジックと多数の最適化回路も備えているため、演算能力はごく一部に過ぎません。
電源ドメイン制御チップ
パワードメインコントローラーは、インテリジェントなパワートレイン管理ユニットです。CAN/FLEXRAYを介してトランスミッション管理、バッテリー管理、オルタネーターのレギュレーション監視を実現し、主にパワートレインの最適化と制御に使用されます。また、電気系統のインテリジェントな故障診断、インテリジェントな省電力、バス通信などの機能も備えています。
（１）職務要件
電力ドメイン制御 MCU は、次の要件を満たす BMS などの主要な電力アプリケーションをサポートできます。
· 高い主周波数、主周波数600MHz～800MHz
· RAM 4MB
· 高い機能安全レベル要件、ASIL-D レベルに到達可能。
· マルチチャンネル CAN-FD をサポートします。
· 2Gイーサネットをサポート。
· AEC-Q100 グレード1以上の信頼性。
· ファームウェア検証機能（国家秘密アルゴリズム）をサポート。
（２）パフォーマンス要件
高性能：この製品は、ARM Cortex R5デュアルコアロックステップCPUと4MBのオンチップSRAMを統合し、車載アプリケーションの増大するコンピューティング能力とメモリ要件をサポートします。ARM Cortex-R5F CPUは最大800MHzです。高い安全性：車両仕様の信頼性規格AEC-Q100はグレード1に達し、ISO26262機能安全レベルはASIL Dに達しています。デュアルコアロックステップCPUは、最大99％の診断カバレッジを実現できます。内蔵の情報セキュリティモジュールは、真性乱数ジェネレーター、AES、RSA、ECC、SHA、および国家および企業のセキュリティ関連規格に準拠したハードウェアアクセラレータを統合しています。これらの情報セキュリティ機能を統合することで、セキュアな起動、セキュアな通信、セキュアなファームウェアの更新とアップグレードなどのアプリケーションのニーズを満たすことができます。
ボディエリアコントロールチップ
車体領域は、主に車体の様々な機能を制御する役割を担っています。車両の発展に伴い、車体領域コントローラもますます重要になっています。コントローラのコスト削減と車両の軽量化を図るため、車体前部、車体中央部、車体後部、例えばリアブレーキランプ、リアポジションランプ、リアドアロック、さらにはダブルステーロッドに至るまで、すべての機能デバイスを一体化したトータルコントローラに統合する必要がありました。
ボディエリアコントローラーは、一般的にBCM、PEPS、TPMS、ゲートウェイなどの機能を統合していますが、シート調整、ルームミラー制御、エアコン制御などの機能も拡張でき、各アクチュエーターを包括的かつ統一的に管理し、システムリソースを合理的かつ効果的に割り当てます。ボディエリアコントローラーの機能は以下に示すように多岐にわたりますが、これらに限定されるものではありません。
（１）職務要件
車載エレクトロニクスのMCU制御チップに対する主な要求は、安定性、信頼性、セキュリティ、リアルタイム性などの技術的特性の向上に加え、より高いコンピューティング性能とストレージ容量、そしてより低い消費電力指数の要件です。ボディエリアコントローラは、分散型機能配置から、ボディエレクトロニクス、キー機能、ライト、ドア、ウィンドウなどのすべての基本駆動を統合する大規模なコントローラへと徐々に移行しています。ボディエリア制御システムの設計は、照明、ワイパーウォッシュ、集中制御ドアロック、ウィンドウなどの制御、PEPSインテリジェントキー、電源管理などを統合しています。また、ゲートウェイCAN、拡張可能なCANFDとFLEXRAY、LINネットワーク、イーサネットインターフェース、モジュール開発設計技術も備えています。
一般的に、ボディ領域のMCUメイン制御チップに対する上記制御機能の作業要件は、主に計算処理性能、機能統合、通信インターフェース、信頼性の面に反映されます。具体的な要件については、パワーウィンドウ、オートシート、電動テールゲートなどのボディアプリケーションなど、ボディ領域のさまざまな機能アプリケーションシナリオにおける機能の違いにより、依然として高効率モーター制御のニーズがあり、このようなボディアプリケーションでは、MCUにFOC電子制御アルゴリズムなどの機能を統合する必要があります。また、ボディ領域のさまざまなアプリケーションシナリオでは、チップのインターフェース構成に対する要件が異なります。そのため、通常は、具体的なアプリケーションシナリオの機能と性能の要件に応じてボディ領域MCUを選択し、それに基づいて製品のコストパフォーマンス、供給能力、技術サービスなどの要素を総合的に測定する必要があります。
（２）パフォーマンス要件
車体領域制御MCUチップの主な参照指標は次のとおりです。
パフォーマンス: ARM Cortex-M4F@ 144MHz、180DMIPS、8KB 命令キャッシュを内蔵、フラッシュ アクセラレーション ユニット実行プログラム 0 待機をサポート。
大容量の暗号化メモリ: 最大 512K バイトの eFlash、暗号化ストレージ、パーティション管理、データ保護をサポート、ECC 検証、100,000 回の消去、10 年間のデータ保持をサポート、144K バイトの SRAM、ハードウェア パリティをサポート。
豊富な通信インターフェースを統合: マルチチャネル GPIO、USART、UART、SPI、QSPI、I2C、SDIO、USB2.0、CAN 2.0B、EMAC、DVP などのインターフェースをサポートします。
統合された高性能シミュレーター: 12 ビット 5Msps 高速 ADC、レールツーレール独立オペアンプ、高速アナログコンパレーター、12 ビット 1Msps DAC をサポート。外部入力独立基準電圧源、マルチチャネル静電容量式タッチキーをサポート。高速 DMA コントローラー。
内部 RC または外部水晶クロック入力、高信頼性リセットをサポートします。
内蔵のキャリブレーション RTC リアルタイム クロック、うるう年永久カレンダー、アラーム イベント、定期的なウェイクアップをサポートします。
高精度タイミングカウンターをサポートします。
ハードウェア レベルのセキュリティ機能: 暗号化アルゴリズム ハードウェア アクセラレーション エンジン、AES、DES、TDES、SHA1/224/256、SM1、SM3、SM4、SM7、MD5 アルゴリズムをサポート。フラッシュ ストレージ暗号化、マルチユーザー パーティション管理 (MMU)、TRNG 真性乱数ジェネレーター、CRC16/32 操作。書き込み保護 (WRP)、複数の読み取り保護 (RDP) レベル (L0/L1/L2) をサポート。セキュリティの起動、プログラム暗号化のダウンロード、セキュリティ更新をサポート。
クロック障害監視および破壊防止監視をサポートします。
96 ビットの UID と 128 ビットの UCID。
信頼性の高い動作環境：1.8V〜3.6V / -40℃〜105℃。
（３）産業パターン
車体電子システムは、外資系企業も国内企業も成長の初期段階にあります。外資系企業は、BCM、PEPS、ドアと窓、シートコントローラーなどの単機能製品において深い技術的蓄積を有しており、一方で大手外資系企業は幅広い製品ラインをカバーし、システムインテグレーション製品を行うための基盤を築いています。国内企業は、新エネルギー車の車体への応用において一定の優位性を持っています。BYDを例に挙げると、BYDの新エネルギー車では、車体エリアが左右のエリアに分かれており、システムインテグレーションの製品が再配置・定義されています。しかし、車体エリア制御チップに関して言えば、MCUの主なサプライヤーは依然としてインフィニオン、NXP、ルネサス、マイクロチップ、STなどの国際チップメーカーであり、国内チップメーカーの市場シェアは現在低いままです。
（4）業界の障壁
通信の観点から見ると、従来のアーキテクチャ→ハイブリッドアーキテクチャ→最終的な車載コンピュータプラットフォームという進化の過程があります。通信速度の変化と、高い機能安全を備えた基本的なコンピューティングパワーの価格低下が鍵となり、将来的には基本コントローラの電子レベルでさまざまな機能の互換性を徐々に実現することができます。例えば、車体領域コントローラは、従来のBCM、PEPS、リップルアンチピンチ機能を統合できます。相対的に言えば、車体領域制御チップの技術的障壁は、電源領域、コックピット領域などよりも低く、国産チップが車体領域で大きな飛躍を遂げ、徐々に国産代替を実現することが期待されています。近年、国産MCUの車体前後搭載市場は非常に好調な発展を遂げています。
コックピット制御チップ
電動化、インテリジェント化、ネットワーク化は、自動車の電子電気アーキテクチャの発展を加速させ、ドメイン制御の方向に進んでいます。コックピットも、車載オーディオおよびビデオエンターテインメントシステムからインテリジェントコックピットへと急速に発展しています。コックピットにはヒューマンコンピュータインタラクションインターフェースが提供されていますが、以前のインフォテインメントシステムであれ、現在のインテリジェントコックピットであれ、コンピューティング速度の強力なSOCに加えて、車両とのデータインタラクションを処理するための高リアルタイムMCUも必要です。インテリジェントコックピットにおけるソフトウェア定義車両、OTA、およびAutosarの徐々に普及により、コックピットのMCUリソースに対する要件はますます高くなっています。具体的には、FLASHおよびRAM容量の需要の増加に反映され、PINカウントの需要も増加しており、より複雑な機能にはより強力なプログラム実行能力が求められるだけでなく、より豊富なバスインターフェースも必要です。
（１）職務要件
キャビン領域の MCU は、主にシステム電源管理、電源オンタイミング管理、ネットワーク管理、診断、車両データインタラクション、キー、バックライト管理、オーディオ DSP/FM モジュール管理、システム時間管理などの機能を実現します。
MCU リソース要件:
· 主周波数と計算能力には一定の要件があり、主周波数は 100MHz 以上、計算能力は 200DMIPS 以上です。
· フラッシュ ストレージ スペースは 1MB 以上で、コード フラッシュとデータ フラッシュの物理パーティションを備えています。
· RAM 128KB以上
· 高い機能安全レベル要件、ASIL-B レベルに到達可能。
· マルチチャンネルADCをサポートします。
· マルチチャンネル CAN-FD をサポートします。
· 車両規制グレード AEC-Q100 グレード1;
· オンライン アップグレード (OTA) をサポートし、Flash はデュアル バンクをサポートします。
· 安全な起動をサポートするには、SHE/HSM-light レベル以上の情報暗号化エンジンが必要です。
· ピン数は 100PIN 以上です。
（２）パフォーマンス要件
IO は広範囲の電圧電源 (5.5V ～ 2.7V) をサポートし、IO ポートは過電圧使用をサポートします。
多くの信号入力は電源バッテリーの電圧に応じて変動し、過電圧が発生する可能性があります。過電圧はシステムの安定性と信頼性を向上させることができます。
メモリ寿命:
自動車のライフサイクルは10年以上であるため、車載MCUのプログラムストレージとデータストレージの寿命は長くなります。プログラムストレージとデータストレージは別々の物理パーティションを持つ必要があり、プログラムストレージは消去回数が少ないため耐久性> 10Kが求められます。一方、データストレージは消去回数が多いため、消去回数が多くなければなりません。データフラッシュインジケータの耐久性> 100K、15年（< 1K）、10年（< 100K）を参照してください。
通信バスインターフェース。
車両のバス通信負荷はますます高くなり、従来のCANでは通信需要を満たせなくなり、高速CAN-FDバスの需要はますます高くなり、CAN-FDのサポートは徐々にMCU標準になってきました。
（３）産業パターン
現在、スマートキャビンMCUにおける国産MCUの割合は依然として非常に低く、主要サプライヤーは依然としてNXP、ルネサス、インフィニオン、ST、マイクロチップといった国際的なMCUメーカーです。多くの国産MCUメーカーが参入していますが、市場のパフォーマンスはまだ不透明です。
（4）業界の障壁
インテリジェントキャビンカーの規制レベルと機能安全レベルは、主にノウハウの蓄積と継続的な製品改良の必要性から、比較的高くありません。同時に、国内工場のMCU生産ラインが少ないため、プロセスが比較的遅れており、国内生産サプライチェーンの実現には一定の時間がかかり、コストが上昇する可能性があり、国際メーカーとの競争圧力も大きくなります。
国内制御チップの応用
車載制御チップは主に車載MCUをベースとしており、紫光国威、華達半導体、上海鑫聯、兆易創新、解放科技、鑫池科技、北京君正、深圳西華、上海七宝衛、国家科技など、国内有数の企業はいずれも車載MCU製品群を有し、海外の大手メーカーのベンチマークとなっています。現在、ARMアーキテクチャをベースとしています。また、RISC-Vアーキテクチャの研究開発を行っている企業もあります。
現在、国産の車両制御ドメインチップは主に自動車フロントローディング市場で採用されており、車体領域やインフォテインメント領域で車に応用されているが、シャシー、電源領域などの分野では、依然としてstmicroelectronics、NXP、Texas Instruments、Microchip Semiconductorなどの海外のチップ大手が主導権を握っており、量産応用を実現している国産企業はごくわずかである。現在、国産チップメーカーのChipchiは、2022年4月にARM Cortex-R5Fをベースにした高性能制御チップE3シリーズ製品をリリースする予定で、機能安全レベルはASIL Dに達し、温度レベルはAEC-Q100 Grade 1をサポートし、CPU周波数は最大800MHz、CPUコア数は最大6個となっている。既存の量産車両計器MCUの中で最高性能の製品であり、国内のハイエンド高安全レベル車両計器MCU市場の空白を埋めています。高性能と高信頼性を備え、BMS、ADAS、VCU、バイワイヤシャーシ、計器、HUD、インテリジェントバックミラーなどのコア車両制御分野に活用できます。GAC、Geelyなど、100社以上のお客様が製品設計にE3を採用しています。
国産コントローラコア製品の応用
投稿日時: 2023年7月19日
