特斯拉自研車用MCU控制器設(shè)計(jì)

微控制器（也稱為控制器、MCU 和其他名稱變體）是構(gòu)建現(xiàn)代車輛的支柱。無論汽車是由汽油、柴油、電力、氫氣、PDG 還是其他任何動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的，其功能都將在很大程度上依賴于控制器。

人們還看到，當(dāng)這些控制器供不應(yīng)求時(shí)，汽車行業(yè)是如何被收買的。IDTechEx的最新研究報(bào)告發(fā)現(xiàn)，目前汽車控制器內(nèi)有很多類型，提供更多的計(jì)算能力和新的車輛架構(gòu)選項(xiàng)。特斯拉是一家一直在使用控制器逆勢(shì)而上的公司。

配備 2 級(jí) ADAS 的類特斯拉電動(dòng)汽車中的半導(dǎo)體晶圓價(jià)值分布。

特斯拉早在 Model S 就開始設(shè)計(jì)控制器，但只有 20% 的 Model S 控制器是內(nèi)部設(shè)計(jì)的。多年來，這一比例一直在上升，Model Y 有 61% 是內(nèi)部設(shè)計(jì)的控制器，而 Cybertruck 上升到 85%。特斯拉在 2023 年投資者日的演講中表示，下一代汽車將擁有 100% 內(nèi)部設(shè)計(jì)的控制器。將控制器設(shè)計(jì)完全內(nèi)部化的好處之一是，它使特斯拉能夠完全自主地設(shè)計(jì)線束。這就是為什么這比最初想象的更重要。

特斯拉在減少線束方面處于行業(yè)領(lǐng)先地位。由于現(xiàn)代汽車中的電子設(shè)備數(shù)量眾多，因此它們包含近乎無限的布線迷宮，因此每個(gè)組件都可以相互通信也就不足為奇了。然而，大線束會(huì)導(dǎo)致許多問題，首先是重量。盡管汽車只有幾米長(zhǎng)，但當(dāng)不得不為不同的線路運(yùn)行數(shù)百次時(shí)，它很快就會(huì)加起來，現(xiàn)代車輛的線束總長(zhǎng)度可達(dá)數(shù)英里。五英里的絕緣銅纜很重！IDTechEx 的研究發(fā)現(xiàn)，一根線束的重量可能超過 60 公斤，這讓特斯拉的 17 公斤減重效果令人印象深刻。

大型線束不受歡迎的另一個(gè)原因是構(gòu)建線束所需的人工成本。單個(gè)線束有數(shù)百個(gè)，有時(shí)是數(shù)千個(gè)端接。每一根線都需要被切割、剝皮、壓接，然后裝入連接器的正確插針中，而這一切都是手工完成的！這些都是需要高度靈巧性、對(duì)細(xì)節(jié)的關(guān)注、經(jīng)驗(yàn)和技能的繁瑣任務(wù)，因此它不可能很快被機(jī)器復(fù)制。

將控制器設(shè)計(jì)引入內(nèi)部使特斯拉能夠從集中式控制架構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)楸镜鼗軜?gòu)。在集中式架構(gòu)中，一個(gè)或一小組控制器需要與車輛周圍的設(shè)備進(jìn)行通信。比如說，在車輛的另一端有一組五個(gè)設(shè)備，可能需要 4m 的電纜敷設(shè)。例如，假設(shè)每個(gè)設(shè)備至少有四個(gè)連接，一個(gè)用于電源，一個(gè)用于接地，兩個(gè)用于 CAN；有些設(shè)備更少，有些設(shè)備更多。所以現(xiàn)在有 20 根電線和 80m 的電纜，僅用于一小部分設(shè)備。本地化架構(gòu)意味著較小的控制器充當(dāng)這些設(shè)備中間的集線器。它有一個(gè)以太網(wǎng)連接到車輛的中央控制器，并且只有非常小的運(yùn)行到各個(gè)設(shè)備。

除了改變控制器架構(gòu)外，特斯拉還為低壓設(shè)備過渡到 48V 架構(gòu)，從而帶來更多好處。48V 系統(tǒng)或低壓系統(tǒng)用于為傳感器、燈、信息娛樂系統(tǒng)以及除動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)以外的幾乎所有電子元件供電。大多數(shù)車輛使用由引擎蓋下方的鉛酸塊供電的 12V 系統(tǒng)，這項(xiàng)技術(shù)已有 150 多年的歷史。根據(jù)特斯拉的說法，一個(gè) 12V 系統(tǒng)，加上車輛周圍的所有輔助負(fù)載，需要能夠?yàn)楝F(xiàn)代車輛提供超過 200 安培的電流。但是由于功率是電壓乘以電流，如果一個(gè)是四倍，另一個(gè)可以是四分之一。這意味著特斯拉的 48V 系統(tǒng)只需要車輛周圍四分之一的電流，這讓他們可以使用更細(xì)的電纜。

特斯拉因不懈地優(yōu)化車輛設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的各個(gè)方面而享有盛譽(yù)。IDTechEx 認(rèn)為這些轉(zhuǎn)向完全內(nèi)部設(shè)計(jì)的控制器，以及 48V 低壓系統(tǒng)的采用將標(biāo)志著特斯拉在車輛優(yōu)化方面取得更令人印象深刻的成就的開始。

對(duì)整個(gè)車輛的控制器的完全控制不僅讓特斯拉有更多的自由來改進(jìn)其架構(gòu)，還讓他們?cè)诠?yīng)鏈上有更多的議價(jià)能力。在 COVID 大流行期間，汽車行業(yè)突然意識(shí)到其對(duì)半導(dǎo)體供應(yīng)的敏感性。當(dāng)車輛控制器未能出現(xiàn)時(shí)，許多生產(chǎn)線都陷入停頓。通過將控制器設(shè)計(jì)引入內(nèi)部，特斯拉不太容易受到這些干擾的影響；它可以快速重新設(shè)計(jì)芯片以改善供應(yīng)或?qū)ふ移渌雽?dǎo)體代工廠的產(chǎn)能以保持流動(dòng)。在過去的幾年里，其他原始設(shè)備制造商也提出了將一些半導(dǎo)體芯片設(shè)計(jì)引入內(nèi)部的聲音，但特斯拉是將門檻提高到 100% 內(nèi)部設(shè)計(jì)的先驅(qū)。

特斯拉此前在從硬件版本 2.5（HW2.5）升級(jí)到 HW3 時(shí)就展示了這種實(shí)力。在HW2.5中，中央自主大腦包含四顆芯片，兩顆Nvidia Parker SoC（片上系統(tǒng)），一顆Nvidia Pascal GPU（圖形處理單元），一顆英飛凌MCU（微控制器單元）。另一方面，HW 3 只有兩個(gè)芯片，都是 Tesla SoC，并且都是由三星使用其 14 納米工藝制造的。這給了特斯拉更大的議價(jià)能力，因?yàn)榕_(tái)積電和 GlobalFoundries 也有 14nm 工藝，這意味著更多的選擇和更多的潛在供應(yīng)。它還縮短了供應(yīng)鏈，因?yàn)?Nvidia 是無晶圓廠的，這意味著它設(shè)計(jì)了芯片，但隨后需要在大型代工廠之一生產(chǎn)，就像特斯拉一樣；這可能會(huì)為特斯拉節(jié)省成本。

特斯拉還表示，在內(nèi)部引入更多設(shè)計(jì)可以讓他們指定二級(jí)供應(yīng)商提供的功能和特性。當(dāng) OEM 購(gòu)買現(xiàn)成的產(chǎn)品時(shí)，無疑會(huì)做出妥協(xié)。來自第 二級(jí)供應(yīng)商的芯片架構(gòu)將盡可能適銷對(duì)路并滿足許多人的需求。這通常意味著它不適合個(gè)人的需求。將設(shè)計(jì)過程引入內(nèi)部并非易事，但既然他們已經(jīng)做到了，特斯拉就可以制造專為特斯拉設(shè)計(jì)的芯片。

編輯：黃飛

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