車規(guī)MCU知識(shí)梳理大全

一輛傳統(tǒng)燃油車需要大約500到600顆芯片，輕混汽車大約需要1000顆，插電混動(dòng)和純電動(dòng)汽車則需要至少2000顆芯片。這就意味著在智能電動(dòng)汽車快速發(fā)展的過程中，不僅對(duì)先進(jìn)制程芯片需求不斷增加，而且對(duì)傳統(tǒng)芯片需求也會(huì)持續(xù)增加。MCU就是這樣，除了單車搭載的數(shù)量在不斷增長(zhǎng)，域控制器也帶來了對(duì)高安全、高可靠、高算力MCU的新需求增長(zhǎng)。

MCU，Microcontroller Unit，中文稱單片微型計(jì)算機(jī)/微控制器/單片機(jī)，將CPU、存儲(chǔ)器、外圍功能整合在單一芯片上，形成具有控制功能的芯片級(jí)計(jì)算機(jī)，主要用于實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理和控制，是智能控制系統(tǒng)的核心。

MCU和汽車電子，工業(yè)，計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)，消費(fèi)電子，家電和物聯(lián)網(wǎng)等我們生活和工作密切相關(guān)，汽車電子是汽車電子中最大的一個(gè)市場(chǎng)，全球范圍內(nèi)汽車電子所占比例高達(dá)33%。

MCU結(jié)構(gòu)

MCU主要由中央處理器CPU、存儲(chǔ)器（ROM和RAM）、輸入輸出I/O接口、串行口、計(jì)數(shù)器等構(gòu)成。

CPU：Central Processing Unit，中央處理器，是 MCU 內(nèi)部的核心部件，運(yùn)算部件能完成數(shù)據(jù)的算術(shù)邏輯運(yùn)算、位變量處理和數(shù)據(jù)傳送操作，控制部件則按照一定時(shí)序協(xié)調(diào)工作，分析并執(zhí)行指令。

ROM：Read-Only Memory，是程序存儲(chǔ)器，用來存放由制造廠家寫好的程序，信息以非破壞方式讀取，所保存的數(shù)據(jù)在掉電時(shí)不會(huì)消失，MCU根據(jù)預(yù)先編制的程序進(jìn)行處理。

RAM：Random Access Memory，是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，與 CPU 直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，掉電后該數(shù)據(jù)不能保持。程序運(yùn)行時(shí)可隨時(shí)寫和讀，一般用作操作系統(tǒng)或者其他運(yùn)行程序臨時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)。

CPU和MCU的關(guān)系：

CPU是運(yùn)算控制的核心。MCU除了CPU之外，還包含ROM或RAM等，是芯片級(jí)芯片。常見的還有SoC（System on Chip），中文叫片上系統(tǒng)，它是一種系統(tǒng)級(jí)芯片，可以存儲(chǔ)和運(yùn)行系統(tǒng)級(jí)代碼，運(yùn)行QNX、Linux 等操作系統(tǒng)，包含多個(gè)處理器單元（CPU+GPU+DSP+NPU+存儲(chǔ)+接口單元）。

MCU的位數(shù)

位數(shù)是指MCU每次處理數(shù)據(jù)的寬度，位數(shù)越高意味著MCU數(shù)據(jù)處理能力就越強(qiáng)，目前最主要的是8、16、32位三種，其中32位占比最多且增長(zhǎng)迅速。

在汽車電子應(yīng)用中，8位MCU成本低、便于開發(fā)，目前多用于比較簡(jiǎn)單的控制方面，例如照明，雨刷，車窗，座椅以及車門等車身域控制。但對(duì)比較復(fù)雜的方面，例如儀表顯示，車載娛樂信息系統(tǒng)，動(dòng)力控制系統(tǒng)，底盤，駕駛輔助系統(tǒng)等等，主要是32位，且隨著汽車電動(dòng)化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化的迭代進(jìn)化，對(duì)MCU的運(yùn)算能力要求也越來越高。

MCU車規(guī)認(rèn)證

MCU供應(yīng)商在進(jìn)入OEM的供應(yīng)鏈體系前，一般需要完成三大認(rèn)證：設(shè)計(jì)階段要遵循功能安全標(biāo)準(zhǔn) ISO 26262，流片和封裝階段要遵循AEC-Q001~004和IATF16949，以及在認(rèn)證測(cè)試階段要遵循AEC-Q100/Q104。

其中，ISO 26262定義了ASIL四個(gè)安全等級(jí)，從低到高分別為A、B、C和D；AEC-Q100 分為四個(gè)可靠性等級(jí)，從低到高分別為 3、2、1和0。AEC-Q100 系列認(rèn)證一般需要1-2年的時(shí)間，而ISO 26262的認(rèn)證難度更大，周期更長(zhǎng)。

MCU在智能電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用

MCU在汽車產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用非常廣泛，例如前表就是從車身附件、動(dòng)力系統(tǒng)、底盤、車載信息娛樂、智能駕駛等板塊都得到了應(yīng)用。隨著智能電動(dòng)車時(shí)代的到來，人們對(duì)MCU產(chǎn)品的需求將更加旺盛。

電動(dòng)化：

1、電池管理系統(tǒng)BMS：BMS需要對(duì)充放電、溫度、電池間均衡進(jìn)行控制，主控板需要一顆MCU，每個(gè)從控板也需要一顆MCU；

2、整車控制器VCU：電動(dòng)汽車能量管理需要增加整車控制器，同時(shí)需要配備32位高階MCU，其數(shù)量根據(jù)各廠的方案不同而不同；

3、引擎控制器/變速箱控制器：存量替換，電動(dòng)汽車逆變器控制MCU替代油車的引擎控制器，因電機(jī)轉(zhuǎn)速高，需通過減速器進(jìn)行減速，它所安裝MCU控制芯片代替油車變速箱控制器。

智能化：

1、當(dāng)前國內(nèi)汽車市場(chǎng)還停留在L2高速滲透階段，從綜合成本與性能考慮，OEM增加ADAS功能仍然采用分布式架構(gòu)，隨裝載率提高，對(duì)傳感器信息處理的MCU也相應(yīng)增多。

2、由于座艙功能日益增多，更高新能的芯片作用越來越重要，對(duì)應(yīng)的MCU地位有所下降。

工藝制造

MCU本身對(duì)算力要求優(yōu)先，對(duì)先進(jìn)制程要求不高，同時(shí)其內(nèi)置的嵌入式存儲(chǔ)自身也限制了MCU制程的提升，所以目前車規(guī)MCU工藝節(jié)點(diǎn)以40nm以上成熟制程為主，一些較先進(jìn)車用MCU產(chǎn)品使用28nm制程。車規(guī)芯片規(guī)格以8英寸晶圓為主，一些廠家特別是IDM已經(jīng)開始移植到12英寸的平臺(tái)上。

目前28nm和40nm工藝是市場(chǎng)主流。

國內(nèi)外典型企業(yè)

與消費(fèi)及工業(yè)級(jí)MCU相比，車規(guī)級(jí)MCU在運(yùn)行環(huán)境，可靠性及供貨周期等方面都有更高的要求，另外車規(guī)級(jí)MCU具有相對(duì)更高的認(rèn)證門檻，認(rèn)證時(shí)間較長(zhǎng)，準(zhǔn)入困難，因此總體上MCU的市場(chǎng)格局比較集中，2021年世界前五名的MCU企業(yè)占比就達(dá)82%之多。

當(dāng)前，我國車規(guī)級(jí)MCU尚處于導(dǎo)入期，供應(yīng)鏈本土化和國產(chǎn)替代化具有很大的潛力。