目前,市场上主流的处理器架构主要有三种,分别是Intel和AMD领衔的x86架构、应用广泛的Arm架构以及近几年风声水起的RISC-V架构。作为一家芯片公司,Arm不生产芯片,但全球却有数十亿设备运行在基于Arm内核的芯片上,Arm的芯片技术几乎覆盖了包括智能手机、汽车以及物联网等众多行业应用。根据Arm的预测,从2021年开始到下一个十年,基于Arm架构的处理器出货量将达到3,000亿只。

与基于Intel或AMD的x86架构不同,Arm处理器不是中央处理器(CPU),而是片上系统(SoC),根据其系统的设计,它可以是设备控制器、微控制器(MCU)或系统中其他附属组件的核心。自ARMv7架构开始,Arm处理器主要分成Cortex-A、Cortex-R、Cortex-M三个系列。这三大系列的分工也十分明确,即:Cortex-A系列面向尖端的基于虚拟内存的操作系统和用户应用;Cortex-R系列则针对实时系统;Cortex-M系列主要对应微控制器。

Cortex-A在市场上常常被看作是Arm家族的主力军。正如最初设想的那样,Cortex-A如今已经成为智能手机以及单板计算机这两大新兴设备的核心。

Cortex-R是一类使用范围比较窄的处理器,主要面向需要实时处理的微控制器应用,一个很好的例子就是4G LTE和5G调制解调器。现在,Cortex-R正在被用作固态闪存的大容量存储控制器。

Cortex-M拥有更小型化的“外形”,因此非常适合对尺寸敏感的应用,例如汽车控制和制动系统,以及具有图像识别功能的高清数码相机。Cortex-M还可以作为数字信号处理器(DSP),用于响应和管理声音合成、语音识别和雷达等应用中的模拟信号。

微控制器市场  企稳回升

2019年,受全球经济疲软的打击,在汽车、工业和商业设备、家用电器、消费电子产品和许多其他嵌入式系统应用中,微控制器(MCU)市场出现一定下滑。市场研究人员估计,2019年微控制器市场从2018年创纪录的176亿美元下降7%,2020年下降约8%至149亿美元。不过,在经历连续两年的下跌后,MCU市场于2021开始上涨。

图1:MCU市场预测,包括市场价值、出货量以及平均售价(ASP)

(图源:IC Insights)

IC Insights预测,2021MCU市场将增长5%回升至157亿美元,接下来的2022年预计增长8%,2023年的增幅更是达到11%,届时MCU收入将达到创纪录的188亿美元。其中,汽车MCU的增长将超过大多数其他终端市场。

市场研究和战略咨询公司Yole DéDevelopment(Yole)的分析称,MCU的价格将在未来几年内保持较高水平。来自Yole公司2021年4季度MCU市场监测数据,2021年的MCU价格涨幅超过了很多人的预期,尽管其中因供应链问题导致无法满足多个市场的需求,但在年底MCU市场的收入仍出现强劲反弹——这主要归功于平均售价的上涨。Yole甚至认为,这种人为抬高的MCU价格在2026年之前不太可能出现大幅下降。

图2:MCU市场分布情况(图源:Yole)

汽车微控制器市场  依然缺货,销售额飙升

十几年的应用实践表明,智能手机、汽车、工业以及物联网已经成为MCU应用的主战场。随着车辆向着电动化、网联化、智能化方向发展,汽车MCU的销量逐年走高。在过去十年中,汽车MCU占到了MCU总销售额的40%左右。根据IC Insights的《2021 McClean报告》,尽管微控制器持续短缺,汽车制造商在2021年不得不暂时关闭部分装配线,但汽车MCU的销售额在2021年仍飙升23%,达到创纪录的76亿美元,预计在2022年和2023年将分别强劲增长14%和16%。

从产品分布看,在2021年,超过四分之三的汽车MCU销售来自32位MCU,预计达到58.3亿美元左右;6位MCU的收入约为13.4亿美元;8位MCU的收入约为4.41亿美元(如图3)。因32位MCU拥有更高的平均售价,故对2021年的销售额贡献很大。IC Insights的预测显示,所有32位MCU的平均售价在2015年至2020年期间是以-4.4%的复合年增长率(CAGR)逐年下降的,但在2021年上涨了约13%,达到0.72美元左右。

图3:汽车MCU市场增长情况以及2021年32位、16位、8位MCU的市场分布(图源:IC Insights)

从应用角度看,2021年,汽车信息娱乐(用于检索数字地图、识别位置并从互联网和卫星传输访问数据的娱乐和信息系统)占到了汽车MCU总销售额的10%(约7.8亿美元),其余的90%主要来自于汽车的发动机控制、动力传动系统、制动器、转向系统、电动车窗、电池管理等,这些MCU的收入达到68亿美元。根据IC Insights的数据,2021年汽车信息娱乐市场MCU的销售额比2020年增长了59%,其他汽车MCU的收入增幅为20%。

值得关注的新一代汽车MCU

复杂的新一代汽车架构离不开性能强大的汽车MCU的支持。全球微控制器市场的主要参与者包括NXP、STMicroelectronics、Microchip、Renesas、Infineon(英飞凌)、TI(德州仪器)等。其中,前五大MCU提供商的市占份额超过了50%。这些企业同样也是汽车MCU的主要参与者,他们积极参与合作伙伴的产品研发,并不断推出新的汽车MCU产品。

01、ST:车规级MCU全面上新

ST为汽车应用提供广泛的微控制器产品组合,最近发布的Stellar系列是其最新的高性能32位汽车MCU。该系列基于多核ARM R52,带创新型嵌入式相变存储器(ePCM)并内置28nm FD-SOI技术。Stellar集成式MCU为新一代的车辆架构提供安全、可靠且确定的解决方案。其中,Stellar P系列专为满足下一代传动系统、电气化解决方案和域导向系统的集成需求而设计,可实现更高水平的实时性能、安全性和确定性。Stellar G系列专为应对下一代车身集成和区域导向车辆架构的关键挑战而设计,可保证性能、安全性和功率效率以及更广泛的连接和更高的安全性。

已经批量供货的产品Stellar P MCU(SR6P7C3和SR6P7C7)和Stellar G集成式MCU(SR6G7C3和SR6G7C5)均具有六个Arm® Cortex®-R52内核,一些内核在锁步模式下运行,而另一些内核则在分核模式下运行,在安全水平和处理能力方面可满足不同应用需求。

Stellar E车规级MCU是Stellar系列的最新产品,它针对电动汽车(EV)和汽车集中式(区/域)电气架构优化了性能,可确保功率转换和电动传动系统应用的高效驱动,有助于降低电动汽车成本,延长续航里程,加快充电速度。Stellar E实现了在同一颗芯片上执行高速控制回路处理和通用控制运算,利用片上集成的高速模数转换器(ADC)、高精度脉宽调制(PWM)控制器和快速动作保护电路等特性,只用一个MCU就能控制整个功率模块,简化功率模块设计,精简了物料清单。Stellar E系列MCU是面向数字化控制功能增强的理想SiC/GaN配套芯片。

当前,向软件定义车辆(SDV)转型正在成为汽车行业的发展趋势。Stellar E还是一款专为下一代软件定义电动汽车设计开发的MCU产品,支持先进的汽车功能性安全标准ISO 26262 ASIL-D、硬件安全模块(HSM)和行业标准软件互操作性,提供高效的OTA更新和升级。据ST的公开信息,Stellar E系列的首款产品Stellar SR5E1主要针对电动汽车车载充电器(OBC)和通用DC/DC转换器的优化而设计,计划2023年开始量产。

图4:Stellar集成式32位MCU系列为新一代的车辆架构提供安全可靠的解决方案(图源:ST)

02、NXP:S32K3 MCU提供系统级功能安全方案

汽车功能安全历来专注于制动、底盘和动力总成控制等车辆动力学系统,现在已扩展至从车身控制模块和电池管理系统(BMS)到区域和电机控制ECU等整个车辆应用范围。这一点的核心是MCU作为主要安全和应用处理器或安全配套IC的作用。

S32K MCU系列是NXP S32汽车电子平台中的新产品,有助于降低汽车软件成本和复杂性,打造更智能、功能安全性和信息安全性更高的车辆,适用于车身、区域控制和电气化等应用。S32K3系列包括基于Arm Cortex-M7的可扩展32位MCU,支持ASIL B/D安全应用的单核、双核和锁步内核配置。同时具有带NXP固件的硬件安全引擎(HSE),支持无线固件更新(FOTA),并为AUTOSAR和非AUTOSAR应用免费提供符合ISO 26262的实时驱动(RTD)。

在硬件安全层面,S32K3 MCU以ASIL D级以下的应用为目标,构建在一个安全的体系结构之上,该体系结构涵盖电源、时钟、复位、中央处理器(CPU)、互连、内存(包括内部闪存和RAM)以及多个外围模块。其中的大多数模块都在片上硬件中实现,有助于降低系统集成商的BoM成本。

在软件安全层面,S32K3 MCU由一套生产级、符合安全标准的软件支持,应用程序开发比较简单。在系统安全层面,S32K3 MCU可与NXP的FS26xx系统基础芯片(SBC)一起使用,以提供系统级安全解决方案。其中,FS26xx为具有自我监控功能的MCU提供稳定的输入电源,对基本MCU计算功能进行外部看门狗监控,监控MCU的复位输入/输出,并监控其故障采集和控制单元(FCCU)错误指示输出。如果SBC检测到MCU中存在任何不可恢复的故障,则会触发系统进入安全状态。

图5:S32K3 MCU提供的系统安全解决方案包括芯片的关键硬件和软件安全机制,以及连接到外部SBC时的输入和输出连接(图源:NXP)

03、Infineon:Traveo™️ II 32位汽车MCU瞄准下一代车身电子应用

自2020年收购了Cypress后,Infineon的车身控制方案更加完备。Cypress Traveo™️ II系列是专为汽车车身电子应用而设计的新一代32位MCU,在单核Arm Cortex-M4F和双核Cortex-M7F中,Traveo II系列内置了处理能力和网络连接,其性能从Traveo系列的400 DMIPS提高到Traveo II系列的1500 DMIPS。

此外,Traveo II系列还集成了HSM(硬件安全模块)、用于安全处理的专用Cortex-M0+,以及满足FOTA要求的双存储体模式嵌入式闪存,具有高级安全功能。Traveo II系列MCU配备了优化的软件平台,可用于Cypress AUTOSAR MCAL(微控制器抽象层)、自检库、闪存EEPROM仿真以及安全低级驱动程序,并结合第三方固件使用。

Traveo II系列还具有先进的安全特性,包括用于存储器的ECC、电源电压和时钟监视器、看门狗以及自检库。Traveo II系列支持六种功率模式。有源、睡眠、低功耗有源、低功耗睡眠、深度睡眠和休眠模式(5μA典型值)。这些微控制器还支持从深度睡眠进行循环唤醒,以优化功耗。

Traveo II系列包含多个产品系列,既有入门级型号CYT2B6、CYT2B7、CYT2B9和CYT2BL,也有高性能的CYT3BB/4BB和CYT4BF等产品。

图6:Traveo II系列包含多个产品系列供用户选择(图源:Infineon)

04、TI:TDA4VM Jacinto处理器非常适用ADAS和自动驾驶汽车

Jacinto处理器平台是久负盛名的一款汽车用产品,它基于TI数十年的汽车系统和功能安全知识,具有强化的深度学习功能和先进的网络处理能力,以解决高级驾驶辅助系统(ADAS)和汽车网关应用中的设计挑战。该平台系列中有两款极具特色且主要面向下一代汽车架构应用的汽车级芯片:应用于ADAS的TDA4VM处理器、应用于网关系统的DRA829V处理器,二者均拥有出色的功耗/性能。

Jacinto7 TDA4VM处理器集成双核64位Arm Cortex-A72微处理器,性能高达2.0GHz、22K DMIPS,具有强大的片上数据分析的能力,非常适合ADAS和自动驾驶车辆(AV)应用。TDA4VM具有很高的系统集成度,关键内核包括具有标量和矢量内核的下一代DSP、专用深度学习和传统算法加速器、用于通用计算的最新Arm和GPU处理器、集成式下一代成像子系统(ISP)、视频编解码器、以太网集线器以及隔离式MCU岛。

图7:Jacinto7 TDA4VM处理器内部结构(图源:TI)

TDA4VM处理器主要适合以下应用:高级环视和泊车辅助系统、自主传感器融合/感知系统(包括摄像头、雷达和激光雷达传感器)、单传感器和多传感器前置摄像头系统、下一代电子后视镜系统。

具有极高系统集成度的Jacinto7 DRA829处理器基于Arm v8 64架构,仅处理器内核中,就内置了性能高达2.0GHz的双核64位Arm Cortex-A72微处理器子系统、六个Arm Cortex-R5F MCU、深度学习矩阵乘法加速器(MMA)、C7x浮点矢量DSP、两个C66x浮点DSP、3D GPU PowerVR Rogue 8XE GE8430。集成式诊断和功能安全特性满足ASIL-B/C或SIL-2认证/要求。

此外,DRA829还具有千兆位以太网交换机和PCIe集线器,可支持需要大量数据带宽的网络使用情况。最多四个Arm Cortex-R5F子系统可管理时序关键型处理任务,并且可使Arm Cortex-A72不受应用的影响。对Arm Cortex-A72的双核集群配置有助于实现多操作系统应用,而且对软件管理程序的需求非常低。

结语

2021年3月,Arm推出了全新的Armv9架构。基于Armv9架构,Arm同时推出了三种新的CPU和GPU设计,包括旗舰Cortex-X2和Cortex-A710 CPU以及Mali-G710 GPU。这三个新的CPU和GPU设计不仅仅是Arm最新的芯片蓝图,也是该公司十年来首次采用新的Armv9架构的设计,意味着未来的芯片性能将会有大幅提升,同时还增加了新的安全性和人工智能功能。

联发科技(MTK)的八核Dimensity 9000是业界首款基于新型ARMv9架构的芯片,采用TSMC的4nm工艺,预计将搭载在2022年推出的旗舰智能手机上。随着汽车智能化的发展,汽车系统中将大量使用传感器、摄像头、雷达等,数据处理需求也随之增加,因此需要性能更强的芯片来提供更多的计算和控制功能,同时这些芯片还要符合较高的汽车安全完整性等级(ASIL)。

从以上介绍的汽车MCU中,我们可以看出,基于Arm v8架构的产品已获批量使用。不同于消费类电子,汽车芯片的设计及应用必须经过严苛的设计及安全等级验证。目前,暂未看到有企业公布基于Armv9架构的汽车MCU计划,希望明年能够有满足下一代汽车设计需求的全新汽车MCU问世。

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