コントロールクラスチップの紹介
制御チップとは主に MCU (Microcontroller Unit) を指します。つまり、シングルチップとも呼ばれるマイクロコントローラーは、CPU の周波数と仕様を適切に低減し、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、その他の機能モジュールとインターフェイスが単一チップ上に統合されています。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、高い柔軟性という利点を持っています。
車両ゲージレベルのMCU図
IC Insights のデータによると、車載は MCU の非常に重要な応用分野であり、2019 年の世界の車載エレクトロニクスにおける MCU 応用は約 33% を占めています。ハイエンドモデルでは、1台のクルマに使用されるMCUSの数は100近くに達し、駆動用コンピュータ、液晶計器類からエンジン、シャーシに至るまで、クルマの大小さまざまなコンポーネントがMCU制御を必要とします。
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、自動車の電子化と知能の継続的な向上に伴い、必要とされる MCUS の数と品質も増加しています。現在、車載用マイコンに占める32ビットマイコンの割合は約60％に達しており、その中でもARM社のCortexシリーズカーネルは、低コストで電力制御に優れているため、車載用マイコン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およびチャネル番号、ADCモジュールおよびチャネル番号、シリアル通信インターフェースのタイプおよび番号、入出力I/Oポート番号、動作温度、パッケージが含まれます。形状と機能安全レベル。
車載用MCUSはCPUビットごとに主に8ビット、16ビット、32ビットに分けることができます。プロセスのアップグレードにより、32 ビット MCUS のコストは下がり続け、現在では主流となり、これまで 8/16 ビット MCUS が独占していたアプリケーションや市場に徐々に取って代わりつつあります。
車載用MCUを応用分野に応じて分けると、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ることができます。コックピット ドメインとインテリジェント ドライブ ドメインの場合、MCU には高い計算能力と CAN FD やイーサネットなどの高速外部通信インターフェイスが必要です。ボディ ドメインにも多数の外部通信インターフェイスが必要ですが、MCU の計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必要です。
シャーシドメイン制御チップ
シャシー領域は車両の駆動に関係し、トランスミッション系、駆動系、ステアリング系、ブレーキ系で構成されます。これは、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 システムの 5 つのサブシステムで構成されています。自動車インテリジェンスの発展に伴い、インテリジェント車両の知覚認識、意思決定計画、および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、自動運転の実行段階の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使用し、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ます。このアプリケーション シナリオに基づいて、シャーシ ドメイン MCU に対して次の要件が提案されます。
· 高周波数と高い計算能力の要件。メイン周波数は 200MHz 以上、計算能力は 300DMIPS 以上
· 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たフラッシュ ストレージ スペースは 2MB 以上。
· 512KB以上のRAM。
· 高い機能安全レベルの要件は、ASIL-D レベルに達する可能性があります。
· 12 ビット精度 ADC をサポート。
· 32 ビット高精度、高同期タイマーをサポート。
· マルチチャンネルCAN-FDをサポート。
· 100M 以上のイーサネットをサポート。
· AEC-Q100 Grade1 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) をサポートします。
(2) 要求性能
· カーネル部分:
I. コア周波数: カーネルが動作しているときのクロック周波数で、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ことはできません。カーネルの動作速度は、カーネル パイプライン、キャッシュ、命令セットなどにも関係します。
II.計算能力: DMIPS は通常、評価に使用できます。DMIPS は、MCU 統合ベンチマーク プログラムのテスト時の相対的なパフォーマンスを測定するユニットです。
· メモリパラメータ:
I. コードメモリ: コードを保存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: 一時的なデータとコードを保存するために使用されるメモリ。
・通信バス：自動車専用バスと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使用される電気および電子アーキテクチャが異なるため、シャーシ領域のコンポーネント要件も異なります。同じ自動車工場の異なるモデルでは構成が異なるため、シャーシ領域の ECU の選択も異なります。これらの違いにより、シャーシ ドメインの MCU 要件が異なります。たとえば、ホンダ アコードは 3 つのシャーシ ドメイン MCU チップを使用し、アウディ Q7 は約 11 のシャーシ ドメイン MCU チップを使用します。2021年の中国ブランド乗用車の生産は約1,000万台で、そのうち自転車シャーシドメインMCUSの平均需要は5台で、総市場は約5,000万台に達している。シャーシ領域全体にわたる MCUS の主なサプライヤーは、Infineon、NXP、Renesas、Microchip、TI、ST です。これら 5 つの国際的な半導体ベンダーは、シャーシ ドメイン MCUS 市場の 99% 以上を占めています。
(4) 業界の壁
主要な技術的観点から見ると、EPS、EPB、ESCなどのシャーシ領域のコンポーネントはドライバーの生命安全に密接に関係しているため、シャーシ領域のMCUの機能安全レベルは非常に高く、基本的にはASIL-Dです。レベル要件。MCU のこの機能安全レベルは中国では空白です。機能安全レベルに加えて、シャーシ コンポーネントのアプリケーション シナリオには、MCU 周波数、計算能力、メモリ容量、周辺機器のパフォーマンス、周辺機器の精度などの側面に関して非常に高い要件が求められます。シャーシ領域の MCU は非常に高い業界の壁を形成しており、国内の MCU メーカーはこれに挑戦し、打ち破る必要があります。
サプライチェーンの観点からは、シャーシドメインコンポーネントの制御チップには高周波と高い計算能力の要件があるため、ウェーハ生産のプロセスとプロセスには比較的高い要件が課されています。現時点では、200MHzを超えるMCU周波数要件を満たすには、少なくとも55nmプロセスが必要と思われます。この点において、国内のMCU生産ラインは未完成であり、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 モデルを採用していますが、ウェー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、ウェーハの製造と生産能力の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 シナリオでは、従来の汎用 CPU はコンピューティング効率が低いため、AI コンピューティング要件に適応することが困難であり、GPU、FPgas、ASics などの AI チップは、独自の機能を備えたエッジおよびクラウドで優れたパフォーマンスを発揮します。特徴があり、広く使われています。技術トレンドの観点から見ると、短期的には依然として GPU が AI チップの主流であり、長期的には ASIC が最終的な方向性となります。市場動向の観点から見ると、AIチップに対する世界的な需要は急速な成長の勢いを維持し、クラウドおよびエッジチップの方がより大きな成長の可能性があり、市場の成長率は今後5年間で50％近くになると予想されています。国内のチップ技術の基盤は弱いものの、AI アプリケーションの急速な普及により、AI チップの需要が急増し、地元のチップ企業の技術と能力の成長の機会が生まれています。自動運転には、コンピューティング能力、遅延、信頼性に関する厳しい要件があります。現在、GPU+FPGA ソリューションが主に使用されています。アルゴリズムの安定性とデータ駆動により、ASics は市場スペースを獲得すると期待されています。
タスク切り替えの待ち時間を短縮するためにさまざまな状態を保存し、分岐予測と最適化のために CPU チップ上に多くのスペースが必要です。これにより、ロジック制御、シリアル演算、および汎用タイプのデータ演算にも適しています。GPU と CPU を例に挙げると、CPU と比較して、GPU は多数の計算ユニットと長いパイプラインを使用し、非常に単純な制御ロジックのみを使用し、キャッシュを排除します。CPU はキャッシュによって多くのスペースを占有するだけでなく、複雑な制御ロジックと多くの最適化回路を備えていますが、演算能力はほんの一部に過ぎません。
パワー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 を使用して、トランスミッション管理、バッテリー管理、オルタネーター制御の監視を実現し、主にパワートレインの最適化と制御に使用され、電気インテリジェント故障診断インテリジェント省電力、バス通信およびその他の機能を実現します。
(1) 職務要件
パワー ドメイン制御 MCU は、次の要件を満たす BMS などの電力分野の主要なアプリケーションをサポートできます。
・高いメイン周波数、メイン周波数600MHz～800MHz
・RAM 4MB
· 高い機能安全レベルの要件は、ASIL-D レベルに達する可能性があります。
· マルチチャンネルCAN-FDをサポート。
· 2G イーサネットをサポート。
· AEC-Q100 Grade1 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) をサポートします。
(2) 要求性能
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 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 最大 800MHz。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 の機能安全レベルは ASIL D に達します。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達成できます。内蔵の情報セキュリティ モジュールには、真の乱数ジェネレータ、AES、RSA、ECC、SHA、および国家およびビジネス セキュリティの関連標準に準拠するハードウェア アクセラレータが統合されています。これらの情報セキュリティ機能を統合することで、安全な起動、安全な通信、安全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。
ボディエリア制御チップ
身体領域は主に身体のさまざまな機能の制御を担当します。車両の発展に伴い、ボディエリアコントローラーもますます増えており、コントローラーのコストを削減し、車両の重量を軽減するために、フロント部分からミドル部分まですべての機能デバイスを統合する必要があります。リアブレーキライト、リアポジションライト、リアドアロック、さらにはダブルステーロッドまで車体の一部と車体後部を一体化したトータルコントローラーです。
ボディエリアコントローラーは通常、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、バックミラー制御、空調制御などの機能、各アクチュエーターの包括的かつ統合管理、システムリソースの合理的かつ効果的な割り当てを拡張することもできます。 。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数ありますが、ここに挙げた機能に限定されるものではありません。
(1) 職務要件
MCU 制御チップに対する自動車エレクトロニクスの主な要求は、より優れた安定性、信頼性、セキュリティ、リアルタイム性およびその他の技術的特性に加え、より高いコンピューティング パフォーマンスとストレージ容量、およびより低い消費電力指数の要件です。車体エリアコントローラーは、分散型の機能展開から、車体電子機器、主要機能、照明、ドア、窓などのすべての基本ドライブを統合する大型コントローラーに徐々に移行しています。車体エリア制御システムの設計は、照明、ワイパー洗浄、中央制御装置を統合しています。ドアロック、Windows およびその他のコントロール、PEPS インテリジェント キー、電源管理などを制御します。また、ゲートウェイ CAN、拡張可能な CANFD および FLEXRAY、LIN ネットワーク、イーサネット インターフェイスおよびモジュールの開発および設計テクノロジも含まれます。
一般に、本体領域の MCU メイン制御チップに対する上記の制御機能の作業要件は、主にコンピューティングおよび処理性能、機能統合、通信インターフェイス、および信頼性の側面に反映されます。特定の要件に関しては、パワーウィンドウ、自動シート、電動テールゲート、その他の車体アプリケーションなど、車体領域のさまざまな機能アプリケーションシナリオの機能の違いにより、依然として高効率モーター制御のニーズがあり、そのような車体アプリケーションでは、 FOC電子制御アルゴリズムとその他の機能を統合するMCU。さらに、本体領域のさまざまなアプリケーション シナリオには、チップのインターフェイス構成に対するさまざまな要件があります。したがって、通常は、特定のアプリケーションシナリオの機能および性能要件に応じてボディ領域の 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) 要求性能
本体領域制御MCUチップの主な参考指標は以下のとおりです。
パフォーマンス: ARM Cortex-M4F@ 144MHz、180DMIPS、内蔵 8KB 命令キャッシュ、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およびデータ保護をサポート、ECC 検証をサポート、100,000 回の消去回数、10 年間のデータ保持。144K バイトの SRAM、ハードウェア パリティをサポート。
統合された豊富な通信インターフェイス: マルチチャネル GPIO、USART、UART、SPI、QSPI、I2C、SDIO、USB2.0、CAN 2.0B、EMAC、DVP およびその他のインターフェイスをサポートします。
統合された高性能シミュレータ: 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、12 ビット 1Msps DAC をサポート。外部入力独立基準電圧源、マルチチャンネル容量性タッチキーをサポート。高速DMAコントローラ。
内部 RC または外部クリスタル クロック入力、高信頼性リセットをサポートします。
内蔵キャリブレーション RTC リアルタイム クロック、閏年永久カレンダー、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。
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 真の乱数ジェネレータ、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) をサポートします。セキュリティ起動、プログラム暗号化ダウンロード、セキュリティアップデートをサポートします。
時計故障監視と解体防止監視をサポートします。
96 ビット UID と 128 ビット UCID。
信頼性の高い動作環境：1.8V～3.6V/-40℃～105℃。
(3) 産業パターン
ボディエリア電子システムは、国内外の企業にとって成長の初期段階にあります。外資系企業はBCM、PEPS、ドアやWindows、シートコントローラーなどの単機能製品に深い技術蓄積を持っており、大手外資系企業は幅広い製品ラインをカバーしており、システムインテグレーション製品の基盤を築いています。 。国内企業は新エネルギー車体の適用において一定の優位性を持っている。BYDを例に挙げると、BYDの新エネルギー車では、車体領域が左右の領域に分割され、システム統合の成果物が再配置されて定義されます。しかし、ボディ領域制御チップに関しては、MCUの主なサプライヤーは依然としてInfineon、NXP、Renesas、Microchip、STなどの海外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低いのが現状です。
(4) 業界の壁
コミュニケーションの観点から見ると、従来のアーキテクチャ、ハイブリッド アーキテクチャ、最終的な車両コンピュータ プラットフォームの進化のプロセスがあります。通信速度の変化と、高い機能安全性を備えた基本演算能力の低価格化が鍵となり、将来的には基本コントローラの電子レベルで段階的に異なる機能の互換性を実現する可能性がある。たとえば、ボディ エリア コントローラーには、従来の BCM、PEPS、およびリップルの挟み込み防止機能を統合できます。ボディ領域の制御チップはパワー領域やコックピット領域などに比べて技術的障壁が比較的低く、国産チップが先頭に立ってボディ領域で大きな進歩を遂げ、徐々に国産代替が実現すると期待されている。近年、国内のボディ前後実装市場におけるMCUの開発は非常に勢いがございます。
コックピット制御チップ
電動化、インテリジェンス、ネットワーク化により、自動車の電子および電気アーキテクチャの開発がドメイン制御の方向に加速され、コックピットも車両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 コンピューター インタラクション インターフェイスが備わっていますが、以前のインフォテインメント システムであっても、現在のインテリジェント コックピットであっても、コンピューティング速度を備えた強力な SOC を備えていることに加えて、処理するための高リアルタイム MCU も必要です。車両とのデータ相互作用。インテリジェント コックピットにおけるソフトウェア デファインド ビークル、OTA、Autosar の徐々に普及により、コックピット内の MCU リソースの要件がますます高くなっています。特にフラッシュおよびRAM容量に対する需要の増加に反映されており、PIN数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機能が必要ですが、より豊富なバス・インターフェースも必要となります。
(1) 職務要件
キャビンエリアのMCUは主に、システム電源管理、電源投入タイミング管理、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、システム時間管理およびその他の機能を実現します。
MCU リソース要件:
· メイン周波数と計算能力には一定の要件があり、メイン周波数は 100MHz 以上、計算能力は 200DMIPS 以上です。
· 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たフラッシュ ストレージ スペースは 1MB 以上。
· 128KB以上のRAM。
· 高い機能安全レベルの要件。ASIL-B レベルに達する可能性があります。
· マルチチャンネル ADC をサポート。
· マルチチャンネルCAN-FDをサポート。
・車両法規グレード AEC-Q100 Grade1。
· オンライン アップグレード (OTA) をサポート、フラッシュはデュアル 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) 要求性能
IOは幅広い電圧電源（5.5v〜2.7v）をサポートし、IOポートは過電圧の使用をサポートします。
多くの信号入力は電源電池の電圧に応じて変動し、過電圧が発生する場合があります。過電圧により、システムの安定性と信頼性が向上します。
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、自動車用MCUのプログラムストレージやデータストレージにはより長い寿命が求められます。プログラム ストレージとデータ ストレージには個別の物理パーティションが必要で、プログラム ストレージはより少ない回数で消去する必要があるため、耐久性は 10K 以上になりますが、データ ストレージはより頻繁に消去する必要があるため、より多くの消去回数が必要になります。 。データフラッシュインジケーターを参照してください。 耐久性 > 100K、15 年 (<1K)。10 年 (<100,000)。
通信バスインターフェース。
車両のバス通信負荷がますます高くなっているため、従来のCAN CANでは通信需要を満たせなくなり、高速CAN-FDバスの需要がますます高まっており、CAN-FDのサポートが徐々にMCU標準になりつつあります。 。
(3) 産業パターン
現時点では、国内のスマート キャビン MCU の割合は依然として非常に低く、主な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、マイクロチップおよびその他の国際的な MCU メーカーです。多くの国内 MCU メーカーがレイアウトに参加していますが、市場でのパフォーマンスはまだわかりません。
(4) 業界の壁
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の反復と改善の必要性により、比較的高くありません。同時に、国内の工場にはMCUの生産ラインが多くないため、プロセスが比較的遅れており、全国的な生産サプライチェーンを実現するには時間がかかり、コストが高くなり、企業との競争圧力がかかる可能性があります。海外メーカーの方が大きいです。
国産制御チップの採用
車制御チップは主に車用MCUに基づいており、Ziguang Guowei、Huada Semiconductor、Shanghai Xinti、Zhaoyi Innovation、Jiefa Technology、Xinchi Technology、Beijing Junzheng、Shenzhen Xihua、Shanghai Qipuwei、National Technologyなどの国内大手企業はすべて、自動車スケールの MCU 製品シーケンス、海外の巨大製品のベンチマーク、現在は ARM アーキテクチャに基づいています。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、国内の車両制御ドメインチップは主に自動車のフロントローディング市場で使用されており、ボディドメインとインフォテインメントドメインの自動車に適用されていますが、シャーシ、パワードメインなどの分野では依然として独占されています。 stmicroelectronics、NXP、Texas Instruments、Microchip Semiconductor などの海外のチップ大手であり、量産アプリケーションを実現している国内企業はわずか数社だけです。現在、国内チップメーカーChipchiは、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2022年4月に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グレード1をサポートし、CPU周波数は最大800MHzに達します。 、最大 6 つの CPU コアを搭載。既存の量産車両ゲージ MCU の中で最高性能の製品であり、国内ハイエンドの高安全レベル車両ゲージ MCU 市場のギャップを埋め、高性能と高信頼性を備え、BMS、ADAS、VCU などで使用できます。 -ワイヤーシャーシ、計器、HUD、インテリジェントバックミラーおよびその他のコア車両制御分野。GAC、Geely などを含む 100 社を超える顧客が製品設計に E3 を採用しています。
国内コントローラコア製品の応用
投稿日時: 2023 年 7 月 19 日