缺芯潮下MCU的國產替代機會與挑戰

在過去的1~2年中，整個汽車電子行業，特別是汽車MCU這一類，面臨著一波嚴重的缺貨行情。在這期間，很多主機廠和T1工廠都開始尋求保供。而芯馳E3，從2022年4月推出到市場以來，有相當一部分的項目是以保供和國產替代為主題的。

在這個過程中，我們看到了傳統ECU的替代機會。但是對于芯馳的產品，有時能看到更多的機會點，比如隨著汽車電子電氣架構向集中化發展，一些此前并不被大家關注的應用機會也逐漸呈現出來，包括一些域控制器，不局限于自動駕駛的域控制器、底盤的域控制器，或者是車身的域控制器。接下來的內容，也會突出芯馳產品的特性，以及一些能夠匹配應用需求的關鍵技術點。

挑戰方面，芯馳科技的MCU在做汽車應用時，會面對很多方面的挑戰，包括但不局限于供貨、質量、功能安全和一定程度上的高端替代。

首先，從供貨角度來看，芯馳科技一直處于一個比較好的狀態，現在芯馳能給到客戶的交期是14周，在這樣缺貨的大背景下，我們的產能是比較樂觀的。

第二方面是質量。芯馳現在做的產品都是車規產品，在所有車規產品出貨前，都會進行嚴格的、以AEC-Q100為代表的一系列測試，保證產品的安全性和穩定性。

功能安全是一個比較重要的方面，也是芯馳MCU的特點之一。在E3這個項目之前，芯馳已經通過了ISO 26262 ASIL D的功能安全體系認證。這樣的認證，從基因上保證了芯馳產品符合功能安全要求。今年年中，E3產品已經過了TüV萊茵的功能安全概念認證。最后一個正在攻克的堡壘，是SEooC的ASIL D產品認證，預計在明年的年中完成。

最后一點是高端替代。芯馳產品和規格在算力、存儲、接口等方面對標國際先進產品，可以滿足一些高端的替代需求。

芯馳科技E3系列?車規MCU及關鍵技術

這里介紹一下芯馳科技E3系列車規MCU產品家族以及關鍵技術特點。關鍵技術特點基本包括了運算、相關的外設、存儲、功能安全、信息安全等模塊。

首先是E3產品家族的介紹，上圖對整個E3產品做了分類，每一個藍框是一個子系列，不同的子系列有不同的特點。

最左邊的這一系列是高可靠系列。最大的特點可以歸納成以下幾點：首先是功能安全等級非常高，整個產品計劃通過ASIL D級別的產品認證；同時，車規溫度等級也比較高，將達到Automotive Grade 1。在汽車中，除了引擎控制器或者變速箱控制器需要Grade 0的ECU，我們的產品在其他應用中都是可以充分覆蓋的。其次，這一系列產品擁有相對較高的算力，最多可以支持6個物理上的ARM內核，可以跑到600MHz，未來還會有800MHz的產品。在這一系列高可靠性產品上，我們提供了從LQFP144、LQFP176到BGA324封裝的不同型號，它們有不同的主頻和內核數量，同時也有外設上的梯度。

接下來介紹這一系列產品所面向的應用。第一類是電動力總成，現在新能源汽車里面最核心的幾個部件包括了VCU、EMS和電機的主驅動。第二類是區域控制器網關等應用，有越來越多的車身控制已經與網關融合在一起，構成了一個區域控制器網關應用，不同的汽車形態可能會不一樣，有的通過4個區域控制器完成了整個車身的控制，有的廠家可能會進行左車身和右車身的劃分。第三類是一個底盤控制器，因為芯馳有LQFP封裝的ASIL D產品，可以在相對少的PCB層數，或相對小的芯片面積上完成高功能安全的應用設計，在這部分應用中我們比較關注現在流行的線控底盤。

中間一類是顯示類MCU。這一類比較直接，有三個最重要的目標應用，分別是液晶儀表、電子后視鏡和抬頭顯示控制器。針對這些應用我們推出了E3300系列，后面還會介紹到它的芯片框圖，包括一些多媒體相關的外設和特殊的硬件引擎，芯馳在做的2D液晶儀表能夠達到比較高的規格。

最右邊一類是車身控制MCU。它是一個ASIL B等級的產品系列，相對來說溫度等級不是特別高，因為這類應用通常對溫度沒有很高的要求，它能覆蓋的應用相對更廣一些，包括但不限于T-Box、車身控制器、空調控制器和燈光照明。同時，我們采用單核的R5F作為內核，也能提供比較強的算力，支持LQFP144和LQFP176兩種封裝，來滿足不同的控制器的封裝的需求。

上圖是E3600系列的框圖。接下來，以E3600系列為例，給大家簡單介紹E3600系列的特點。首先，可以看到深藍色的部分是計算內核，這也是芯馳比較重要的一部分內容。E3600系列是32bit的CPU，同時這個ARM CPU具有ASIL D功能安全認證，非常適合用來做高功能安全的MCU。

同時，內核上可以看到深黃色和淺黃色的鎖。這表示MCU可以配置成鎖步和分立運行的。鎖步運行時，整個CPU的診斷覆蓋率會非常高，適合完成高功能安全規格的應用。而在分立運行時，可以獲得更多獨立可編程的內核，這樣整體芯片算力就會提高。這是一個比較靈活的設計，因為很多ECU里，既有功能安全的算力，也有非功能安全的算力。

另外，可以看到存儲是有MPU存儲保護的，每個內核有自己可以訪問的存儲和寄存器的界限，相互之間不會受到干擾，由硬件去防護。同時，它有FPU可以直接支持硬件的浮點。CPU配置了I-Cache和D-Cache。它跟傳統沒有Cache的MCU有非常大的差異，這也保證了高性能的內核能充分發揮其性能。

講完內核部分，再看下存儲。存儲包含有片內存儲和片外存儲兩種，片內放了比較大的SRAM。目前，E3600系列最大的是4MB SRAM，并且這些SRAM還帶有ECC的保護。與此同時，還有外接存儲，它可以擴展Flash和RAM。

再往下是一個信息安全模塊。信息安全模塊對于MCU是比較重要的，我們也會讓它做一些信息安全認證，包括國密二級等。整個E3600系列產品，目前都配備了信息安全模塊，可以滿足各類應用的信息安全需求。

接著會有一個系統管理的模塊，里面包括了內置的時鐘。主域有24MHz的時鐘，還有一個負責低功耗的域叫RTC域，有32KHz的時鐘。時鐘既可以從外部提供，也可以由內部的RC電路直接提供。同時，里面有一個eFuse，它跟信息安全加密做OTA等有非常重要的關系。此外，還有JTAG和SWD接口，使得我們可以用常規的調試器去調試，如 J-LINK等。

最后，還有一個PMU，PMU內部包括DCDC和LDO控制器，在不需要特別功能安全的情況下，MCU只需要一個3.3V的電壓就可以完成供電。在內核供電方面，由內部PMU上的DCDC和LDO提供，同時PMU也方便去接外部的PMIC，來實現功能安全的電源設計。

在外設部分，上圖左下角也列了一些主要的點，包括了DMA，DMA搬運是一個提高性能的重要通道。內部會有多個窗比較的看門狗定時器，來保證每個內核的安全運行。雖然在芯片內部，該看門狗是一個硬件看門狗，可以滿足ASIL D的系統設計。

往下是兩個實時控制的外設，包括了eTimer和ePWM，eTimer可以做數字信號的捕捉，也可以做一些數字信號的軟解碼，比如SENT信號、正交編碼的信號等，甚至可以實現一些數字邏輯功能；ePWM一般用于復雜波形輸出。

通信外設部分可以看到千兆以太網TSN，E3600系列上面也配置了兩個千兆以太網，整個配置是比較豪華的。同時，TSN在很多汽車應用中有越來越廣的使用。其他還包括了FlexRay、SPI等，接口靈活多樣。

CAN/CANFD多達24路，LIN/UART是16路。對于域控制器，如果有比較多的傳感器和執行器節點，這樣的外設配置是游刃有余的。另外還有實時控制相關的外設ADC和模擬比較器。通過以上的介紹，可以初步看到芯片內部的主要功能模塊是什么。

下一個產品是顯示類MCU。這部分主要介紹下與E3600系列有差異的硬件，媒體功能模塊。它首先有一個RGB接口，可以支持到RGB888來實現視頻的輸入和輸出；同時，配備有LVDS接口，芯馳的儀表demo都是通過LVDS接口去實現的。芯片上有并行CSI接口，可以支持720P的視頻輸入，芯片在做電子后視鏡、HUD或儀表時，可能會有視頻輸入，視頻需要通過并行CSI接口接入。E3300內部有芯馳自研的2D GPU實現繪圖功能，對于儀表以及HUD應用是比較重要的。再有就是硬件扭曲引擎ASW，它對于做一個高性能的儀表UI，或是做HUD和電子后視鏡中的圖像畸變矯正、硬件畸變矯是十分關鍵的。

E3300的外部存儲接口也會有些不同，這個系列可以支持SDR和DDR 存儲，最高可以到每秒400兆字節的帶寬，可以增大圖像緩沖區，做出更復雜的儀表UI效果。這顆產品是AEC-Q100 Grade 2的，因為相對來說沒有很高的溫度要求，BGA324封裝，有比較豐富的 IO資源。

最后一個系列是車身E3100系列。就內核來說，它是一個單核的Cortex-R5F，不是鎖步運行的，和之前的幾個系列存在差異。相對來說，這類應用沒有很高的功能等級需求，不需要鎖步的內核。同時，這個系列里面還配置了1MB到4MB不等的Flash存儲器，來滿足相關應用的程序和數據存儲需求。這一系列產品更詳細的信息可以在上圖右邊的選型表里看下，總體來說是面向車身應用的通用MCU。

編輯：黃飛

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