汽車電子電氣架構正在發生深刻的變革。在這一趨勢下，車載處理器技術將如何演進？會進化出哪些車載處理器“新物種”？這些“芯”變化將對汽車電子的開發帶來何種影響？……想必這是很多汽車圈小伙伴都關心的問題。

在日前由中國汽車工業協會主辦的第12屆中國汽車論壇上，恩智浦大中華區資深市場經理余辰杰先生發表了題為《車載處理器賦能未來汽車電子電氣架構》的精彩演講，從整車電子電氣架構演進對車載處理器的機遇與挑戰、恩智浦全新一代16nm車載實時處理器，以及恩智浦車載處理器生態圈支持等幾個方面，進行了系統地闡述。

通過這個講演，大家可以看到，針對上述業界關注的課題，恩智浦已經通過縝密的思考和積極的實踐，給出了一個全面的解決方案。我們將本次講演中的精彩內容提煉出來，在這里與大家分享，希望對大家未來的汽車電子開發提供助力。

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電子電氣架構是最近大家聊的非常多的話題，下圖最左側，是傳統的分布式的架構，逐漸會往以功能為邏輯劃分的域控架構轉變，比如座艙域、智駕域、多合一動力域、底盤域等等。

更新的架構形態是基于區域控制器的架構，一個區域控制器所包含的功能取決于相鄰物理結點的的執行器所負責的任務。舉個簡單例子，比如車的左前域，可能把底盤，甚至轉向功能結合車身的部分功能集成進來。

最右端就是最終形態，整車電子電器架構圍繞一個大的中央計算平臺，它可能集成了所有智駕，座艙、車身等等需要高算力的任務。然后在邊緣測的結點上，就是一些智能執行器了。

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從大的趨勢我們看到，無論是從域，或者域結合傳統分布式結點的中間方案，還是后面逐漸往區域化過渡。這其中的好處是什么？

首先域架構肯定會使我們的軟件更集中，把原來一些可能邏輯類似但分布在不同ECU當中的功能，集成到一個域控制器當中來。同時這樣也會使得傳感器的輸入和ECU之間的數據交互延遲得到優化。還有如OTA升級策略，本來一個功能是分布在幾個ECU結點里，現在也會集中到一個ECU中，簡化了升級流程。

區域控制器的好處就更直觀了，原來一些分布在不同物理位置的控制器，現在被集中到了一個地方。線束重量降低了，原先多個性能較低的MCU被區域控制器中的高算力實時處理器所取代，比如我后面會著重介紹到的恩智浦S32Z/E系列SoC。

汽車工業的一個永恒的話題就是輕量化，比如通過寬禁帶半導體功率器件提升動力系統的功率密度，同時電子電器架構的演進導致的線速的長度和重量的減少也不可忽視。而驅動電子電器架構演進的底層動力是處理器性能的迭代。

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在恩智浦看來，無論何種電子電器架構，汽車ECU控制器大致可以分為兩個大的平臺。一類稱之為基礎設施平臺，我們認為不管低端車、高端車、燃油車還是新能源車，總要有動力控制部分來驅動汽車；車身網絡樞紐保障ECU間安全可靠的交互數據；還有車身控制部分，如對門、窗，座椅等控制等。以上這些我們統稱為汽車的基礎設施平臺。

另外一大類，我們定義為可選可且可定制部分，比如有一些車的定位在智駕功能上，另一些車則在炫酷的座艙體驗上。這些個性化的功能固然越來越被消費者看重，但從車的本質看并不是必須的。

恩智浦無論在基礎設施平臺還是在可選部分都有著非常廣的產品布局。基礎平臺上，我們有新近推出的用于動力控域控的S32Z/E，網絡上處理上S32G系列芯片也已經被中國眾多主機廠和一級供應商所接受，車身控制上從上一代功能安全等級相對低一些的S32K1，到現在最高可支持ASIL D級別的S32K3等。

在可拓展平臺上，i.MX系列座艙SoC一直以來是NXP非常強勢的一個產品，ADAS 77GHz毫米波雷達上，恩智浦有支持4D成像的最一代S32R SoC產品。

當然視覺上我們也有S32V這樣的芯片，它定位在一些初階智能駕駛或者環視為主的低速場景。后面我會提到，在高階自動駕駛端，我們在中國已經和像地平線這樣的生態伙伴有很深入的合作。

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談了電子電氣架構的演進，談了整個ECU可以把它分為基礎設施平臺和可選平臺，那映射到處理器芯片上，到底對性能有什么不同要求？

大家可以看到，下圖中越往下，也就是越靠近邊緣側的執行器端，它對處理器的需求基本上是高實時性，比如剎車、油門踩下去，你會希望動力變化很快體現出來，這些往往是以實時控制算力為衡量指標的，而這些結點的計算邏輯也都是面向信號的。

恩智浦新進發布的S32Z/E產品，已經不能歸類為MCU了，因為它的實時算力已經大大超出了傳統的兩三百兆主頻的多核MCU。所以我們把它重新定義為Real-time Processor——實時處理器，它在圖片的中間部分。

當然我們也看到有一些車身區域控制器的設計，雖然他們大多負責實時控制，但也已經有主機廠已經提出了運用SOA架構的設想，不過目前的主流還是以CAN網絡為主面向信號的處理方式，強調實時性，對I/O的驅動能力要求很高。

這個也是我想給大家分享的，因為從半導體原廠的角度來看，我們要滿足芯片高算力的需求，一直以來的做法是不斷迭代先進制程，提高集成度，把核的數目做上去，主頻抬上去。但在未來這么做也許會越來越困難，特別是在對類MCU的實時處理器來說。因為從工藝上講，當傳統CMOS工藝下沉到22nm以下時，Embedded Flash很難和數字、模擬部分集成到同一個到硅片上。

我馬上要介紹的S32Z/E是基于16納米制程的，Flash放在哪里？外擴是必然，但你的速率如何保證？當內核達到1GHz的主頻時，如果想要XiP，內存接口帶寬需要做到多大？而如果只拓展負責存儲的Flash，那我們又不得不擴大昂貴的片內SRAM，附加額外的Shadow Flash，這是一種高成本的實現。另外還有I/O驅動能力的問題，16納米的制程如何做3.3伏、5伏的I/O，對車載控制類應用來說這也是必須解決的問題。后面我會介紹S32Z/E是如何克服這些難點的。

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接下來我講一下我們今天的主角，S32Z/E實時處理器。如果從傳統認知上看，大家可以把這個芯片理解為一個MCU。但這個MCU的算力有了一個質的飛躍，每個核的主頻可以達到1GHz，還集成了輕量級的AI的計算能力，可以支持MPC算法，用于諸如自動駕駛系統中的橫縱向控制計算。

當然因為它的算力很強，加之豐富的以太網接口能力，相對于傳統MCU，它使支持SOA軟件架構成為可能。還需要強調的是，恩智浦是業界第一家采用真正意義上的先進制程，也就是16nm這個節點來實現車規實時處理器的芯片原廠。另外，正如我前面介紹到的，S32Z/E所對應5納米的下一代產品也已經在我們的規劃當中。

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什么是實時性？這個概念其實是不太好界定的，大家可以理解為非常快的響應，但這個快是相對的，視應用場景而定。下圖中所列出的這些應用被普遍認為是車輛電子系統中實時性要求相對較高的應用。這也就是我們S32Z、S32E所覆蓋的應用。

我前面提到了，S32Z/E的算力有了一個質的提升，核的數目也非常多，最多可以有八個，你可以獨立使用，也可以作為四對鎖步核來使用。下圖左邊就是傳統的電子電氣架構，在這種架構中你可能有一個集中的動力域控制器，下面掛著分布式的獨立功能的ECU。

但現在你有了最多可以提供8個1GHz主頻的S32Z/E，你可能希望把這些功能都集中到一個控制器，甚至于一顆芯片中來。

不過，即便硬件的性能支持你這么做，但是更大的挑戰在軟件和系統的認知。對于一些能力比較強的Tier 1，本身開發過這些獨立功能的ECU，他們會非常樂于接受這樣的芯片，他們可以自己定義一個新的電子電氣架構，設計出成本更優化的產品，最后推薦給主機廠。

但是對于大部分的供應商而言，他們很少有機會同時做過這么多控制器，我認為這個時候就會催生出一個新的業務模式，我把它稱作就是“軟件即產品”。即出現一系列專注于某類應用上層算法的軟件供應商。當然，要支撐這種軟件業務模式，硬件上除了要具備高算力之外，還需要有虛擬化和隔離機制做支撐，使得不同的應用程序互相不干擾的運行。S32Z/E無論從內核還是SoC架構上都設計了必要的虛擬化隔離機制。

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下圖是S32Z/E整個芯片的框圖，大家可以看到，它的主要計算部分有若干個Cortex-R52的組合，有四對鎖步的Cortex-R52，它是主要被用來做業務邏輯的。還有一個深藍色的Cortex-M33的鎖步核，我們稱之為System Manager，它可以被用來完成一些系統功能，比如做Secure Boot，或者做整個芯片系統的功能安全監控等，和處理主業務邏輯的Cortex-R52完全隔離開來。

計算部分，我們還集成了一個DSP核，可以完成一些輕量級機器學習業務，主要針對ADAS上的，比如基于MPC的橫縱向控制算法，因為它往往需要很多的浮點算力，如果是要跑在傳統的邏輯核上面，它效率是非常低的，因為Simulink MPC Toolbox生成出來的代碼很多是基于Vector C的庫的。

再來看網絡安全引擎HSE——S32Z/E集成的HSE加密引擎支持目前業界所有主流的對稱和非對稱加密算法。這里還要重點介紹一下S32Z/E中集成的一個網關子系統，稱之為FlexLLCE，它是由兩對四百兆主頻的M33核負責調度，通過一個CAN Hub支配24個CAN Controller組成的一個的CAN網關子系統。所有的CAN網關相關的功能，可以完全在這個子系統進行閉環處理。

還有我們集成了博世最先進的GTM4.1，這是用來做高精度PWM輸出的，主要應用場景包括發動機噴油點火，新能源汽車的主驅控制。當然我們也有TSN支撐的以太網接口。

最后說一下存儲器部分，因為這是一顆16納米制程的芯片，以目前的工藝水平無法集成Embedded Flash，所以我們需要一個額外的Flash Shadow放在外部，我們在系統初始化時會把存這個Shadow Flash里面的程序，直接加載到內部高達19MB的SRAM里面去。這樣做的好處顯而易見，因為SRAM的運行速度肯定會快。我們還會提供LPDDR4以及Hpyerbus 接口，可以方便用戶靈活拓展高速存儲介質。

下圖右邊的S32E2，是S32Z2的一個升級，它主要彌補了S32Z2對5V模擬I/O支持不足的問題。

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恩智浦公司作為全球領先的汽車處理器供應商，在芯片底層軟件上的投入是非常大的，無論從MCAL、HSE Firmware，還是一些私有的網絡加速器IP的驅動上，恩智浦都投入了大量的研發資源。

但這并不意味著在“軟件定義汽車”的新時代里恩智浦會成為一個軟件公司，事實上我們也只能聚焦在和硬件最緊密相關的底層軟件上，這就是為什么我們需要一個很強大的生態。比如在AUTOSAR軟件中，MCAL和HSE Firmware只是和硬件相關的驅動層，而整個AUTOSAR框架中大部分模塊是和硬件無關的上層協議棧。

過去我們依靠Vector、EB這類國際軟件供應商為恩智浦全球的客戶提供這類軟件，今天我們在中國也有像普華、東軟這樣的優質生態合作伙伴專門服務本土客戶。另外和硬件生態合作伙伴上，我們也有非常多的實踐，比如在高等級自動駕駛方案上，我們就選擇了和地平線公司合作，一起開發了基于地平線征程5和恩智浦S32G的Matrix Superdrive參考設計，該方案也已經被許多中國主機廠所接受。

恩智浦作為一家深耕中國市場的外資芯片原廠，一直把拓展本土生態圈作為工作重點。我們深信恩智浦在中國的成功離不開本土生態合作伙伴的支持和幫助。

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