未来汽车芯片趋势 将从MCU转至SoC?

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福特(Ford Motor)在1983年首次于Escort车系导入16位元英特尔(Intel)微控制器(MCU)为基础的引擎喷射系统,而汽车产业发展至今,市面上许多高阶汽车已搭载超过100个微处理器,而当初的Escort仅搭载1个微处理器。

  据Semiconductor Engineering网站报导,汽车内部系统控制所用的电子控制单元(ECU)设计,这些规范都随时间不断演进。福特汽车旗下创新部门全球执行长Jim Buczkowski表示,汽车的基本系统历史悠久,并随着时间全面电子化且整合,像是窗户从手摇式、电动式、演变到今日的智能型窗户。

  最早的汽车电子系统各自独立运作,灯光、门锁、传动、防锁死煞车等功能的控制器系统均不同,而现在厂商则渐渐把这些孤立的系统整合起来。整合的第一阶段是达到资讯分享,像是感测汽车行驶速度而自动锁上的门锁,得将传动控制系统与传输变化等系统连接成一网路,相互沟通、分享不同电子控制模组系统之间的讯号。

  汽车厂商早已跳脱独立控制系统,导入控制器区域网路(Controller Area Network;CAN),未来也可望搭载乙太网路等高速通讯网路,用以传输庞大资料与讯号,整合更多微控制器功能在同一个单位当中,同步处理许多不同作业,不但降低成本也改善效能。?

  传统ECU主要以MCU作为基础,相较之下,先进驾驶辅助系统(ADAS)等新型系统需要不同的系统设计,因为其效能需求完全在不同层次。此外,ECU拥有更强大的核心,而MCU无法继续支持这些系统运行,尤其是相机为基础的系统。

  而半导体公司正针对这类ECU做系统单芯片(SoC)设计,因而拥有许多SoC的IP,必须透过28纳米等进阶制程技术才能实现这些SoC。

  SoC为基础的ECU设计与MCU为基础的设计大不同,因为MCU是现成、标准型装置,因此有各式各样的工具供选用。然而,SoC并非标准装置,因此得先选用适当的IP来打造SoC,而对于OEM而言,工具环境则较无受限。

  一台汽车内一般有50个以上的ECU,而ECU里面又有多重PCB与多重MCU、电源、类比等半装置。Arteris执行长认为ECU可多达145个,而多半是MCU。每个主要的子系统都拥有1个SoC,而多数功能由MCU执行。目前改变趋势在于,汽车现在由更大的、专门的子系统组成,而即时更新的最好方式就是透过SoC。

  电动汽车大厂Tesla并没有强迫所有厂商一同电子化,但Tesla的策略迫使汽车厂商重新思考汽车组成的方式。汽车的电子架构得重新设计,才能即时更新,安全芯片得部署于整个汽车系统内,而软体也得重新构思。

  除了一般条件限制、操作模式、政府规范等挑战之外,目前ECU设计的最大挑战之一,是在成本与电力、温度条件限制之下,让高效能处理器达到安全功能标准。此外,现代汽车由至少1亿个原始码组成,而这些程式原始码由不同公司与团队设计,且得符合高需求标准与安全系统,软体复杂度也成为一大挑战。

  然而,汽车产业很大一部分由汽车厂商主导,而一级(Tier 1)与二级(Tier 2)供应商往往对汽车厂商的要求有求必应。近年ECU设计很大变化之一是汽车开放式系统架构(AUTOSAR) 系统建构,替汽车厂商定义标准设计方式,让厂商可以针对ECU软体定义立下标准、沟通方式、资料类型与讯息等等。

  AUTOSAR也让汽车厂商与供应商有更多的讯息交换,将独立ECU样本以数位格式传送给一级供应商作为数位规格标准。汽车产业与一般消费性市场不同,得注意许多安全需求与政府规范,因此,从传统引擎转型至电子系统的过程也较为繁琐。

  益华电脑(Cadence)的欧洲、中东、及非洲地区汽车行销执行长Robert Schweiger指出,汽车产业的安全需求与政府规范影响面甚大,连带间接影响到益华电脑这类电子公司及其IP产品。

  汽车产业目前注重减少碳排放,低功耗技术变得相当重要,而这不仅影响电动汽车发展,也针对传统汽油车发展。因为引擎、电源线等设计都会影响汽车的总重量,进而影响整体碳排放,此外,厂商设计ADAS车载安全系统时,也得遵照政府的安全规范。? 益华系统验证小组(Systems Verification Group)汽车安全部门产品管理执行长Adam Sherer则指出,在开发汽车系统时,往往比照医疗、军用、航空等产业验证标准,不但要执行功能性验证,也得进行安全性验证,这也使汽车产业与一般消费性市场作出区隔。

  现在,汽车产业得想出要如何提供验证所需的大量资料,而这意味着从OEM、一级供应商、IP等环节都得符合验证需求,达到以ISO 9000为基础、可重复、可追踪的流程,且利用汽车安全整合等级(ASIL)作为品质标准评鉴。

  而汽车产业在过去一个世纪以来,整体朝向安全性、稳定性提升的趋势发展。过去10年间,汽车产业也增加“效能”与“连接性”(connectivity)二种趋势,其中效能包括油耗效能与碳排放效能,而连接性指的是车载资讯娱乐系统为主的连接系统,改善人们的驾驶体验。

  Ansys-Apache应用工程执行长认为,多数现代汽车由四大电子子系统组成:分别是引擎与动力传动控制单位、安全控制子系统、进阶驾驶辅助子系统,以及车载资讯娱乐子系统。而这四大电子子系统会控制车体操作与安全性能,或将影响驾驶与用户体验。

  近年来电子元件设计、积体电路效能、系统整合等层面提升,也改善汽车整体安全性、稳定性、效率、以及连接性。不过,在汽车运作环境当中,电子与安全系统设计得有足够稳定性与抗干扰性,承受摄氏-50~200度的温差变化与高温条件、电磁干扰等苛刻条件。

  汽车电子元件的温度稳定性、电子迁移现象(electmigration) 、温度感知疲乏(thermal aware fatigue)等状态得先经过模拟测试验证,而半导体IC也得经过温度模拟测试,确认稳定性与寿命影响。

  这些IC得承受不同程度的电磁干扰,例如感应放电式(inductive discharge)点火系统、电源线放电等高能量干扰,以及天线辐射等低能量干扰。而IC本身设计也得将自身运行中产生的干扰,降至最小量。汽车所有重要元件都应通过抗电磁标准认证,像是ISO1152、ISO7673等等。

  最后,ECU的更新作业也是很重大的改变。在过去,汽车电子系统无须不断更新,而现在汽车厂商为跟上消费性电子发展,汽车厂商得导入手动或连网软体更新功能,一有新标准或新应用就能更新ECU,包括车载资讯娱乐系统(infotainment)或仪表板(Instrument Cluster)等等。

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