【導(dǎo)讀】目前，市場(chǎng)上主流的處理器架構(gòu)主要有三種，分別是Intel和AMD領(lǐng)銜的x86架構(gòu)、應(yīng)用廣泛的Arm架構(gòu)以及近幾年風(fēng)聲水起的RISC-V架構(gòu)。作為一家芯片公司，Arm不生產(chǎn)芯片，但全球卻有數(shù)十億設(shè)備運(yùn)行在基于Arm內(nèi)核的芯片上，Arm的芯片技術(shù)幾乎覆蓋了包括智能手機(jī)、汽車(chē)以及物聯(lián)網(wǎng)等眾多行業(yè)應(yīng)用。根據(jù)Arm的預(yù)測(cè)，從2021年開(kāi)始到下一個(gè)十年，基于Arm架構(gòu)的處理器出貨量將達(dá)到3,000億只。
與基于Intel或AMD的x86架構(gòu)不同，Arm處理器不是中央處理器（CPU），而是片上系統(tǒng)（SoC），根據(jù)其系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，它可以是設(shè)備控制器、微控制器（MCU）或系統(tǒng)中其他附屬組件的核心。自ARMv7架構(gòu)開(kāi)始，Arm處理器主要分成Cortex-A、Cortex-R、Cortex-M三個(gè)系列。這三大系列的分工也十分明確，即：Cortex-A系列面向尖端的基于虛擬內(nèi)存的操作系統(tǒng)和用戶應(yīng)用；Cortex-R系列則針對(duì)實(shí)時(shí)系統(tǒng)；Cortex-M系列主要對(duì)應(yīng)微控制器。
● Cortex-A在市場(chǎng)上常常被看作是Arm家族的主力軍。正如最初設(shè)想的那樣，Cortex-A如今已經(jīng)成為智能手機(jī)以及單板計(jì)算機(jī)這兩大新興設(shè)備的核心。
● Cortex-R是一類(lèi)使用范圍比較窄的處理器，主要面向需要實(shí)時(shí)處理的微控制器應(yīng)用，一個(gè)很好的例子就是4G LTE和5G調(diào)制解調(diào)器?，F(xiàn)在，Cortex-R正在被用作固態(tài)閃存的大容量存儲(chǔ)控制器。
● Cortex-M擁有更小型化的“外形”，因此非常適合對(duì)尺寸敏感的應(yīng)用，例如汽車(chē)控制和制動(dòng)系統(tǒng)，以及具有圖像識(shí)別功能的高清數(shù)碼相機(jī)。Cortex-M還可以作為數(shù)字信號(hào)處理器（DSP），用于響應(yīng)和管理聲音合成、語(yǔ)音識(shí)別和雷達(dá)等應(yīng)用中的模擬信號(hào)。
微控制器市場(chǎng)
企穩(wěn)回升
2019年，受全球經(jīng)濟(jì)疲軟的打擊，在汽車(chē)、工業(yè)和商業(yè)設(shè)備、家用電器、消費(fèi)電子產(chǎn)品和許多其他嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用中，微控制器（MCU）市場(chǎng)出現(xiàn)一定下滑。市場(chǎng)研究人員估計(jì)，2019年微控制器市場(chǎng)從2018年創(chuàng)紀(jì)錄的176億美元下降7%，2020年下降約8%至149億美元。不過(guò)，在經(jīng)歷連續(xù)兩年的下跌后，MCU市場(chǎng)于2021開(kāi)始上漲。
圖1：MCU市場(chǎng)預(yù)測(cè)，包括市場(chǎng)價(jià)值、出貨量以及平均售價(jià)（ASP）
（圖源：IC Insights）
IC Insights預(yù)測(cè)，2021MCU市場(chǎng)將增長(zhǎng)5%回升至157億美元，接下來(lái)的2022年預(yù)計(jì)增長(zhǎng)8%，2023年的增幅更是達(dá)到11%，屆時(shí)MCU收入將達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的188億美元。其中，汽車(chē)MCU的增長(zhǎng)將超過(guò)大多數(shù)其他終端市場(chǎng)。
市場(chǎng)研究和戰(zhàn)略咨詢公司Yole DéDevelopment（Yole）的分析稱(chēng)，MCU的價(jià)格將在未來(lái)幾年內(nèi)保持較高水平。來(lái)自Yole公司2021年4季度MCU市場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，2021年的MCU價(jià)格漲幅超過(guò)了很多人的預(yù)期，盡管其中因供應(yīng)鏈問(wèn)題導(dǎo)致無(wú)法滿足多個(gè)市場(chǎng)的需求，但在年底MCU市場(chǎng)的收入仍出現(xiàn)強(qiáng)勁反彈——這主要?dú)w功于平均售價(jià)的上漲。Yole甚至認(rèn)為，這種人為抬高的MCU價(jià)格在2026年之前不太可能出現(xiàn)大幅下降。
圖2：MCU市場(chǎng)分布情況
（圖源：Yole）
汽車(chē)微控制器市場(chǎng)
依然缺貨，銷(xiāo)售額飆升
十幾年的應(yīng)用實(shí)踐表明，智能手機(jī)、汽車(chē)、工業(yè)以及物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為MCU應(yīng)用的主戰(zhàn)場(chǎng)。隨著車(chē)輛向著電動(dòng)化、網(wǎng)聯(lián)化、智能化方向發(fā)展，汽車(chē)MCU的銷(xiāo)量逐年走高。在過(guò)去十年中，汽車(chē)MCU占到了MCU總銷(xiāo)售額的40%左右。根據(jù)IC Insights的《2021 McClean報(bào)告》，盡管微控制器持續(xù)短缺，汽車(chē)制造商在2021年不得不暫時(shí)關(guān)閉部分裝配線，但汽車(chē)MCU的銷(xiāo)售額在2021年仍飆升23%，達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的76億美元，預(yù)計(jì)在2022年和2023年將分別強(qiáng)勁增長(zhǎng)14%和16%。
從產(chǎn)品分布看，在2021年，超過(guò)四分之三的汽車(chē)MCU銷(xiāo)售來(lái)自32位MCU，預(yù)計(jì)達(dá)到58.3億美元左右；6位MCU的收入約為13.4億美元；8位MCU的收入約為4.41億美元（如圖3）。因32位MCU擁有更高的平均售價(jià)，故對(duì)2021年的銷(xiāo)售額貢獻(xiàn)很大。IC Insights的預(yù)測(cè)顯示，所有32位MCU的平均售價(jià)在2015年至2020年期間是以-4.4%的復(fù)合年增長(zhǎng)率（CAGR）逐年下降的，但在2021年上漲了約13%，達(dá)到0.72美元左右。
圖3：汽車(chē)MCU市場(chǎng)增長(zhǎng)情況以及2021年32位、16位、8位MCU的市場(chǎng)分布（圖源：IC Insights）
從應(yīng)用角度看，2021年，汽車(chē)信息娛樂(lè)（用于檢索數(shù)字地圖、識(shí)別位置并從互聯(lián)網(wǎng)和衛(wèi)星傳輸訪問(wèn)數(shù)據(jù)的娛樂(lè)和信息系統(tǒng)）占到了汽車(chē)MCU總銷(xiāo)售額的10%（約7.8億美元），其余的90%主要來(lái)自于汽車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)控制、動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)、制動(dòng)器、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、電動(dòng)車(chē)窗、電池管理等，這些MCU的收入達(dá)到68億美元。根據(jù)IC Insights的數(shù)據(jù)，2021年汽車(chē)信息娛樂(lè)市場(chǎng)MCU的銷(xiāo)售額比2020年增長(zhǎng)了59%，其他汽車(chē)MCU的收入增幅為20%。
值得關(guān)注的新一代汽車(chē)MCU
復(fù)雜的新一代汽車(chē)架構(gòu)離不開(kāi)性能強(qiáng)大的汽車(chē)MCU的支持。全球微控制器市場(chǎng)的主要參與者包括NXP、STMicroelectronics、Microchip、Renesas、Infineon（英飛凌）、TI（德州儀器）等。其中，前五大MCU提供商的市占份額超過(guò)了50%。這些企業(yè)同樣也是汽車(chē)MCU的主要參與者，他們積極參與合作伙伴的產(chǎn)品研發(fā)，并不斷推出新的汽車(chē)MCU產(chǎn)品。
01 ST：車(chē)規(guī)級(jí)MCU全面上新
ST為汽車(chē)應(yīng)用提供廣泛的微控制器產(chǎn)品組合，最近發(fā)布的Stellar系列是其最新的高性能32位汽車(chē)MCU。該系列基于多核ARM R52，帶創(chuàng)新型嵌入式相變存儲(chǔ)器（ePCM）并內(nèi)置28nm FD-SOI技術(shù)。Stellar集成式MCU為新一代的車(chē)輛架構(gòu)提供安全、可靠且確定的解決方案。其中，Stellar P系列專(zhuān)為滿足下一代傳動(dòng)系統(tǒng)、電氣化解決方案和域?qū)蛳到y(tǒng)的集成需求而設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)更高水平的實(shí)時(shí)性能、安全性和確定性。Stellar G系列專(zhuān)為應(yīng)對(duì)下一代車(chē)身集成和區(qū)域?qū)蜍?chē)輛架構(gòu)的關(guān)鍵挑戰(zhàn)而設(shè)計(jì)，可保證性能、安全性和功率效率以及更廣泛的連接和更高的安全性。
已經(jīng)批量供貨的產(chǎn)品Stellar P MCU（SR6P7C3和SR6P7C7）和Stellar G集成式MCU（SR6G7C3和SR6G7C5）均具有六個(gè)Arm? Cortex?-R52內(nèi)核，一些內(nèi)核在鎖步模式下運(yùn)行，而另一些內(nèi)核則在分核模式下運(yùn)行，在安全水平和處理能力方面可滿足不同應(yīng)用需求。
Stellar E車(chē)規(guī)級(jí)MCU是Stellar系列的最新產(chǎn)品，它針對(duì)電動(dòng)汽車(chē)（EV）和汽車(chē)集中式（區(qū)/域）電氣架構(gòu)優(yōu)化了性能，可確保功率轉(zhuǎn)換和電動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用的高效驅(qū)動(dòng)，有助于降低電動(dòng)汽車(chē)成本，延長(zhǎng)續(xù)航里程，加快充電速度。Stellar E實(shí)現(xiàn)了在同一顆芯片上執(zhí)行高速控制回路處理和通用控制運(yùn)算，利用片上集成的高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、高精度脈寬調(diào)制（PWM）控制器和快速動(dòng)作保護(hù)電路等特性，只用一個(gè)MCU就能控制整個(gè)功率模塊，簡(jiǎn)化功率模塊設(shè)計(jì)，精簡(jiǎn)了物料清單。Stellar E系列MCU是面向數(shù)字化控制功能增強(qiáng)的理想SiC/GaN配套芯片。
當(dāng)前，向軟件定義車(chē)輛（SDV）轉(zhuǎn)型正在成為汽車(chē)行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。Stellar E還是一款專(zhuān)為下一代軟件定義電動(dòng)汽車(chē)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的MCU產(chǎn)品，支持先進(jìn)的汽車(chē)功能性安全標(biāo)準(zhǔn)ISO 26262 ASIL-D、硬件安全模塊（HSM）和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)軟件互操作性，提供高效的OTA更新和升級(jí)。據(jù)ST的公開(kāi)信息，Stellar E系列的首款產(chǎn)品Stellar SR5E1主要針對(duì)電動(dòng)汽車(chē)車(chē)載充電器（OBC）和通用DC/DC轉(zhuǎn)換器的優(yōu)化而設(shè)計(jì)，計(jì)劃2023年開(kāi)始量產(chǎn)。
圖4：Stellar集成式32位MCU系列為新一代的車(chē)輛架構(gòu)提供安全可靠的解決方案（圖源：ST）
02 NXP：S32K3 MCU提供系統(tǒng)級(jí)功能安全方案
汽車(chē)功能安全歷來(lái)專(zhuān)注于制動(dòng)、底盤(pán)和動(dòng)力總成控制等車(chē)輛動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，現(xiàn)在已擴(kuò)展至從車(chē)身控制模塊和電池管理系統(tǒng)（BMS）到區(qū)域和電機(jī)控制ECU等整個(gè)車(chē)輛應(yīng)用范圍。這一點(diǎn)的核心是MCU作為主要安全和應(yīng)用處理器或安全配套IC的作用。
S32K MCU系列是NXP S32汽車(chē)電子平臺(tái)中的新產(chǎn)品，有助于降低汽車(chē)軟件成本和復(fù)雜性，打造更智能、功能安全性和信息安全性更高的車(chē)輛，適用于車(chē)身、區(qū)域控制和電氣化等應(yīng)用。S32K3系列包括基于Arm Cortex-M7的可擴(kuò)展32位MCU，支持ASIL B/D安全應(yīng)用的單核、雙核和鎖步內(nèi)核配置。同時(shí)具有帶NXP固件的硬件安全引擎（HSE），支持無(wú)線固件更新（FOTA），并為AUTOSAR和非AUTOSAR應(yīng)用免費(fèi)提供符合ISO 26262的實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)（RTD）。
在硬件安全層面，S32K3 MCU以ASIL D級(jí)以下的應(yīng)用為目標(biāo)，構(gòu)建在一個(gè)安全的體系結(jié)構(gòu)之上，該體系結(jié)構(gòu)涵蓋電源、時(shí)鐘、復(fù)位、中央處理器（CPU）、互連、內(nèi)存（包括內(nèi)部閃存和RAM）以及多個(gè)外圍模塊。其中的大多數(shù)模塊都在片上硬件中實(shí)現(xiàn)，有助于降低系統(tǒng)集成商的BoM成本。
在軟件安全層面，S32K3 MCU由一套生產(chǎn)級(jí)、符合安全標(biāo)準(zhǔn)的軟件支持，應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)比較簡(jiǎn)單。在系統(tǒng)安全層面，S32K3 MCU可與NXP的FS26xx系統(tǒng)基礎(chǔ)芯片（SBC）一起使用，以提供系統(tǒng)級(jí)安全解決方案。其中，F(xiàn)S26xx為具有自我監(jiān)控功能的MCU提供穩(wěn)定的輸入電源，對(duì)基本MCU計(jì)算功能進(jìn)行外部看門(mén)狗監(jiān)控，監(jiān)控MCU的復(fù)位輸入/輸出，并監(jiān)控其故障采集和控制單元（FCCU）錯(cuò)誤指示輸出。如果SBC檢測(cè)到MCU中存在任何不可恢復(fù)的故障，則會(huì)觸發(fā)系統(tǒng)進(jìn)入安全狀態(tài)。
圖5：S32K3 MCU提供的系統(tǒng)安全解決方案包括芯片的關(guān)鍵硬件和軟件安全機(jī)制，以及連接到外部SBC時(shí)的輸入和輸出連接（圖源：NXP）
03 Infineon：Traveo?? II 32位汽車(chē)MCU瞄準(zhǔn)下一代車(chē)身電子應(yīng)用
自2020年收購(gòu)了Cypress后，Infineon的車(chē)身控制方案更加完備。Cypress Traveo?? II系列是專(zhuān)為汽車(chē)車(chē)身電子應(yīng)用而設(shè)計(jì)的新一代32位MCU，在單核Arm Cortex-M4F和雙核Cortex-M7F中，Traveo II系列內(nèi)置了處理能力和網(wǎng)絡(luò)連接，其性能從Traveo系列的400 DMIPS提高到Traveo II系列的1500 DMIPS。
此外，Traveo II系列還集成了HSM（硬件安全模塊）、用于安全處理的專(zhuān)用Cortex-M0+，以及滿足FOTA要求的雙存儲(chǔ)體模式嵌入式閃存，具有高級(jí)安全功能。Traveo II系列MCU配備了優(yōu)化的軟件平臺(tái)，可用于Cypress AUTOSAR MCAL（微控制器抽象層）、自檢庫(kù)、閃存EEPROM仿真以及安全低級(jí)驅(qū)動(dòng)程序，并結(jié)合第三方固件使用。
Traveo II系列還具有先進(jìn)的安全特性，包括用于存儲(chǔ)器的ECC、電源電壓和時(shí)鐘監(jiān)視器、看門(mén)狗以及自檢庫(kù)。Traveo II系列支持六種功率模式。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）。這些微控制器還支持從深度睡眠進(jìn)行循環(huán)喚醒，以優(yōu)化功耗。
Traveo II系列包含多個(gè)產(chǎn)品系列，既有入門(mén)級(jí)型號(hào)CYT2B6、CYT2B7、CYT2B9和CYT2BL，也有高性能的CYT3BB/4BB和CYT4BF等產(chǎn)品。
圖6：Traveo II系列包含多個(gè)產(chǎn)品系列供用戶選擇
（圖源：Infineon）
04 TI：TDA4VM Jacinto處理器非常適用ADAS和自動(dòng)駕駛汽車(chē)
Jacinto處理器平臺(tái)是久負(fù)盛名的一款汽車(chē)用產(chǎn)品，它基于TI數(shù)十年的汽車(chē)系統(tǒng)和功能安全知識(shí)，具有強(qiáng)化的深度學(xué)習(xí)功能和先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)處理能力，以解決高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）和汽車(chē)網(wǎng)關(guān)應(yīng)用中的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。該平臺(tái)系列中有兩款極具特色且主要面向下一代汽車(chē)架構(gòu)應(yīng)用的汽車(chē)級(jí)芯片：應(yīng)用于ADAS的TDA4VM處理器、應(yīng)用于網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的DRA829V處理器，二者均擁有出色的功耗/性能。
Jacinto7 TDA4VM處理器集成雙核64位Arm Cortex-A72微處理器，性能高達(dá)2.0GHz、22K DMIPS，具有強(qiáng)大的片上數(shù)據(jù)分析的能力，非常適合ADAS和自動(dòng)駕駛車(chē)輛（AV）應(yīng)用。TDA4VM具有很高的系統(tǒng)集成度，關(guān)鍵內(nèi)核包括具有標(biāo)量和矢量?jī)?nèi)核的下一代DSP、專(zhuān)用深度學(xué)習(xí)和傳統(tǒng)算法加速器、用于通用計(jì)算的最新Arm和GPU處理器、集成式下一代成像子系統(tǒng)（ISP）、視頻編解碼器、以太網(wǎng)集線器以及隔離式MCU島。
圖7：Jacinto7 TDA4VM處理器內(nèi)部結(jié)構(gòu)
（圖源：TI）
TDA4VM處理器主要適合以下應(yīng)用：高級(jí)環(huán)視和泊車(chē)輔助系統(tǒng)、自主傳感器融合/感知系統(tǒng)（包括攝像頭、雷達(dá)和激光雷達(dá)傳感器）、單傳感器和多傳感器前置攝像頭系統(tǒng)、下一代電子后視鏡系統(tǒng)。
具有極高系統(tǒng)集成度的Jacinto7 DRA829處理器基于Arm v8 64架構(gòu)，僅處理器內(nèi)核中，就內(nèi)置了性能高達(dá)2.0GHz的雙核64位Arm Cortex-A72微處理器子系統(tǒng)、六個(gè)Arm Cortex-R5F MCU、深度學(xué)習(xí)矩陣乘法加速器（MMA）、C7x浮點(diǎn)矢量DSP、兩個(gè)C66x浮點(diǎn)DSP、3D GPU PowerVR Rogue 8XE GE8430。集成式診斷和功能安全特性滿足ASIL-B/C或SIL-2認(rèn)證/要求。
此外，DRA829還具有千兆位以太網(wǎng)交換機(jī)和PCIe集線器，可支持需要大量數(shù)據(jù)帶寬的網(wǎng)絡(luò)使用情況。最多四個(gè)Arm Cortex-R5F子系統(tǒng)可管理時(shí)序關(guān)鍵型處理任務(wù)，并且可使Arm Cortex-A72不受應(yīng)用的影響。對(duì)Arm Cortex-A72的雙核集群配置有助于實(shí)現(xiàn)多操作系統(tǒng)應(yīng)用，而且對(duì)軟件管理程序的需求非常低。
結(jié)語(yǔ)
2021年3月，Arm推出了全新的Armv9架構(gòu)?；贏rmv9架構(gòu)，Arm同時(shí)推出了三種新的CPU和GPU設(shè)計(jì)，包括旗艦Cortex-X2和Cortex-A710 CPU以及Mali-G710 GPU。這三個(gè)新的CPU和GPU設(shè)計(jì)不僅僅是Arm最新的芯片藍(lán)圖，也是該公司十年來(lái)首次采用新的Armv9架構(gòu)的設(shè)計(jì)，意味著未來(lái)的芯片性能將會(huì)有大幅提升，同時(shí)還增加了新的安全性和人工智能功能。
聯(lián)發(fā)科技（MTK）的八核Dimensity 9000是業(yè)界首款基于新型ARMv9架構(gòu)的芯片，采用TSMC的4nm工藝，預(yù)計(jì)將搭載在2022年推出的旗艦智能手機(jī)上。隨著汽車(chē)智能化的發(fā)展，汽車(chē)系統(tǒng)中將大量使用傳感器、攝像頭、雷達(dá)等，數(shù)據(jù)處理需求也隨之增加，因此需要性能更強(qiáng)的芯片來(lái)提供更多的計(jì)算和控制功能，同時(shí)這些芯片還要符合較高的汽車(chē)安全完整性等級(jí)（ASIL）。
從以上介紹的汽車(chē)MCU中，我們可以看出，基于Arm v8架構(gòu)的產(chǎn)品已獲批量使用。不同于消費(fèi)類(lèi)電子，汽車(chē)芯片的設(shè)計(jì)及應(yīng)用必須經(jīng)過(guò)嚴(yán)苛的設(shè)計(jì)及安全等級(jí)驗(yàn)證。目前，暫未看到有企業(yè)公布基于Armv9架構(gòu)的汽車(chē)MCU計(jì)劃，希望明年能夠有滿足下一代汽車(chē)設(shè)計(jì)需求的全新汽車(chē)MCU問(wèn)世。
來(lái)源：貿(mào)澤電子
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