一、汽车电子简介

1978年，通用汽车第一次在汽车上引入了包含软件的半导体设备ECU（发动机控制单元），这是MCU和软件第一次出现在汽车上，彻底改变了传统的手动控制发动机的方式。随着汽车上的电子功能逐渐丰富，控制器的数量越来越多，导致整车电子电气系统复杂度越来越高。2000年梅赛德斯奔驰从全局考虑对整车电子电气进行整体设计，2001年诞生了全球首个电子电气（E/E）架构。

图1：汽车的电气结构示意图（图片资源来自网络）

无论什么类型的汽车电子电控，究其本质都可以表达一个简单的控制系统模型：“传感获取输入 => 处理计算 => 驱动执行器输出”。汽车E/E架构定义为实现整车功能的汽车电子电气组件的组织结构及其软硬件系统，强调各组件之间以及组件与整车环境之间的相互作用和相互依赖关系，以及指导设计和演变的原则。

图2：亿欧智库对车规芯片的分类定义（图片资源来自网络）

传统的汽车电子控制系统大体可分为四个部分：发动机电子控制系统，底盘综合控制系统，车身电子安全系统，信息通讯系统。每个系统都需要应用到大量的电子元器件，随着新能源汽车市场逐步的崛起及车辆的更新换代，一辆汽车的芯片使用量从600-800颗激增至2000-3000颗。

二、车规电子元器件的可靠性要求

汽车运行过程中需要适应各种复杂严苛的气候和环境，需要应对温度、湿度、发霉、粉尘、水及有害气体侵蚀等复杂环境带来的挑战，做到高可靠性和低失效率以保证行车安全。因此其对电子元器件的指标和可靠性要求高于常见的消费级和工业级。车规芯片需要满足相关规范，包括设计阶段应遵守的对电子电器产品安全可靠的国际标准ISO26262，取得汽车电子协会的AECQ可靠度标准，以及零失效的供应链质量管理标准IATF16949规范。

图3：电子元器件的可靠性等级和测试标准（图片资源来自网络）

ISO26262 的核心价值在于，它可以通过系统的功能安全研发管理流程，以及针对汽车电子控制器系统／硬件／软件的系统化验证和确认方法，保证电子系统的安全功能在面对各种严酷条件时不失效，从而保证驾驶员和路人的安全。

图4：AEC-Q系列车规电子元器件标准（图片资源来自网络）

AECQ（国际汽车电子协会车规验证标准）包括AEC-Q100(集成电路IC)、AEC-Q101(离散组件)、AEC-Q102(离散光电LED)、AEC-Q103(传感器)、AEC-Q104(多芯片组件)、AEC-Q200(被动组件)。

三、汽车电气架构的进化

总线作为车辆网络拓扑结构，可以简化线束的复杂程度，主要类型有 CAN、LIN（本地互连网络）、FlexRay、MOST、车载以太网等。多数厂商希望将汽车总线技术压缩到 2-4 种。在众多的总线中，CAN 总线的出现很好的解决了众多功能模块控制单元之间的数据交换实时性和稳定性问题，在现代汽车的网络化应用中起到了基石的作用。以太网在时延、可扩展性、安全性等方面具备巨大优势，被市场普遍看好。

随着汽车电子化程度的提高和功能的多样化，分布式架构与ECU的局限性对于车辆的生产成本、功能实现、未来发展都提出了挑战。更加集成化、智能化的解决方案—域控制器与域内中心化架构则应运而生。域控制器取代 ECU 的主要原因：

（1）随着汽车电子化与智能化发展，大量的ECU和线束带来成本与车重负担；

（2）分布式架构的信息传输能力有限，不具备高算力，无法满足自动驾驶等高端应用；

（3）域控制器实现了软硬件的解耦，实现了软件的 OTA。

图5：分布式和集中式电气架构对比（图片资源来自网络）

最典型的域控划分方式，把全车分布的电子电气架构归纳为五个域，即动力域、车身域、底盘域、座舱域和自动驾驶域，具体分工如下：

（1）动力域控制器主要控制车辆的动力总成，优化车辆的动力表现，保证车辆的动力安全；

（2）车身域控制器主要控制各种车身功能；

（3）底盘域控制器主要控制车辆的行驶行为和行驶姿态；

（4）座舱域控制器主要控制车辆的智能座舱中的各种电子信息系统功能；

（5）自动驾驶域控制器负责实现和控制汽车的自动驾驶功能，需要处理感知、决策、控制三个层面的算法，对于域控制器的软硬件要求都是最高。

图6：五大功能域控特点以及对MCU的性能要求（图片资源来自网络）

为了面对日趋普及的汽车智能化需求，博世将汽车电子电气架构的演进分为三大阶段：分布式架构、（跨）域集中式架构、车辆集中电子电气架构，每个大阶段中细分为两个小阶段，从低阶到高阶依次为：

（1）模块化（每个功能由一个独立的ECU实现）、集成化（不同的功能集成到一个ECU）

（2）域内集中（域控制器分别控制不同的域）、跨域融合（跨域控制器同时控制多个域）

（3）车辆融合（一个车载中央计算器控制全车的域控制器）、车辆云计算（由云计算实现）。

图7：汽车电器架构演进趋势（图片资源来自网络）

目前汽车厂商的电子电气架构升级都仍处于域集中式架构阶段，少数领先的车厂发展到了跨域融合阶段。随着车辆电子架构集成度越来越高，域控制器将从经典的五域走向三域并最终走向整车中央计算平台。在此过程中域控制器的功能集成度、算力需求、软硬件复杂度将呈指数级增长。

四，车规MCU市场和应用

MCU最大应用场景就在汽车电子，市场份额占比高达39%，IC Insights预计，2022年全球MCU销售额将增长10%达到215亿美元，创出历史新高，其中汽车MCU的增长速度将超过大多数其他应用市场。

图8：MCU在汽车中广泛存在（图片资源来自网络）

中国市场学会汽车营销专家委员会研究部数据显示，普通传统燃油汽车平均单车搭载ECU（ECU的核心是MCU）数量为70颗，豪华传统燃油汽车因为对座椅、中控娱乐、车身稳定与安全等性能要求更高，单车搭载ECU数量可达150颗，而智能汽车由于自动驾驶和辅助驾驶新增的软硬件需求，平均单车搭载MCU的单车用量也将达到300颗以上。

目前汽车MCU主要是以8位、16位、32位为主：

（1）8位MCU主要用于基础控制功能，如座椅、空调、风扇、车窗、门控模块等控制。

（2）16位MCU主要用于下车身，如引擎、电子刹车、悬吊系统等动力和传动系统控制。

（3）32位MCU主要用于座舱娱乐、ADAS、车身控制等高端智能和安全的应用场景。

早期，汽车中应用的主要是8位和16位MCU，随着汽车电子化和智能化不断加强，目前32位MCU在汽车MCU中的占比已经提升到了70-80%。因此，目前国内的MCU厂家一般也是选择32位MCU作为其车规产品线的主力产品。

五、车规MCU选型

 苏州国芯科技股份有限公司

苏州国芯科技股份有限公司成立于2001年，是一家聚焦于国产自主可控嵌入式CPU技术研发和产业化应用的芯片设计公司。公司致力于服务安全自主可控的国家战略，为国家重大需求和市场需求领域客户提供IP授权、芯片定制服务和自主芯片及模组产品，主要应用于信息安全、汽车电子和工业控制、边缘计算和网络通信三大关键领域。公司提供的IP授权与芯片定制服务基于自主研发的嵌入式CPU技术，为实现三大应用领域芯片的安全自主可控和国产化替代提供关键技术支撑；公司的自主芯片及模组产品现阶段以信息安全类为主，聚焦于“云”到“端”的安全应用，覆盖云计算、大数据、物联网、智能存储、工业控制和金融电子等关键领域，以及服务器、汽车和智能终端等重要产品。

图10：国芯车规MCU产品系列的应用场景

图11：国芯车规MCU可达到最严格ASIL-D等级要求

图12：国芯车规级混合信号芯片Roadmap

国芯科技（C*CORE）车规MCU 亮点：具备开源PowerPC，开源RISC-V和ARM内核三大产品线系列PowerPC性能比较强，面向的是中高端市场，因此PowerPC相对ARM器件来说价格稍贵。凭借其出色的性能和高度整合和技术先进特性，PowerPC在网络通信应用，工业控制应用，家用数字化，网络存储领域，军工领域,电力系统控制等都具有非常广泛的应用，2019年IBM正式宣布开源。

目前市场采用PowerPC内核的车规MCU产品主要包括：

1，NXP的MPC5xxx系列和S32R2/3系列，技术和产品系列源自收购的Freescale，产品广泛应用在汽车的发动机管理、汽车安全、电池系统管理、逆变器、ADAS、仪表盘、网关、动力总成、、底盘等。提供至少15年的产品长期供货计划以及全面的工具生态体系支持。

2，STM的SPC5系列，SPC5系列MCU提供多达3个内核，运行速度200MHz，同时提供ASIL-D安全等级、最高10MB的闪存，并保证15年以上的生命周期。

3，国芯科技（C*CORE）基于开源PowerPC架构的产品系列种类齐全，PCB硬件上做到兼容市场同类型产品，并且在包括工作频率、内存、存储等指标全面胜出，安全方面也达到最高的ASIL-D等级。此外，C*CORE还有基于开源RISC-V架构和ARM Cortex-M/R系列的车规MCU产品。

图13：国芯科技三种内核MCU产品系列

图14：国芯科技车规芯片系列

 小华半导体有限公司

小华半导体有限公司是中国电子信息产业集团有限公司（CEC）旗下集成电路业务平台华大半导体有限公司的核心子公司。小华半导体前身为华大半导体下属MCU事业部, 现有员工逾400人，其中75%以上为研发人员，芯片设计核心骨干行业经验大于20年。公司在上海、苏州、成都和海外均设有研发中心，拥有先进的集成电路设计平台和规范的产品开发流程。公司业务规模位居中国MCU设计企业前列。小华半导体面向家电、工业、汽车、物联网等领域，专注于核心智能控制芯片的设计，为客户提供通用控制、电机控制、汽车电子、超低功耗四大产品线，以及相应算法和软件在内的一整套系统级解决方案。