一文熟悉車規(guī)MCU

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。這意味著，隨著智能電動(dòng)汽車的飛速發(fā)展，不但先進(jìn)制程的芯片需求量越來越大，傳統(tǒng)芯片的需求量也將繼續(xù)提升。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與我們的生活工作息息相關(guān)，如汽車電子、工業(yè)、計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)、消費(fèi)電子、家電、物聯(lián)網(wǎng)等，其中汽車電子是最大的市場(chǎng)，從全球角度看占比達(dá)到了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，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)掉電后不消失，MCU按照事先編寫好的程序執(zhí)行。

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。在程序運(yùn)行過程中可以隨時(shí)寫入、讀出，通常作為操作系統(tǒng)或其他正在運(yùn)行中程序的臨時(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），中文稱片上系統(tǒng)，是系統(tǒng)級(jí)芯片，可存放并運(yùn)行系統(tǒng)級(jí)別的代碼，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。

NXP的S32汽車處理器平臺(tái)。(來源：NXP)

在汽車電子應(yīng)用中，8位MCU成本低、便于開發(fā)，目前主要應(yīng)用在相對(duì)簡(jiǎn)單的控制領(lǐng)域，如照明、雨刷、車窗、座椅和車門等車身域控制。而對(duì)于相對(duì)復(fù)雜的領(lǐng)域，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，則以32位的為主，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)中應(yīng)用廣泛，如前表，從車身附件、動(dòng)力系統(tǒng)、底盤、車載信息娛樂到智能駕駛等板塊都會(huì)用到。隨著智能電動(dòng)汽車時(shí)代的發(fā)展，MCU產(chǎn)品需求會(huì)越來越旺盛。

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一個(gè)整車控制器，同時(shí)需要配備32位高階MCU，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，由于電機(jī)轉(zhuǎn)速較高，需要經(jīng)過減速器減速，其配備的MCU控制芯片替換了油車的變速箱控制器。

智能化：

1、目前國(guó)內(nèi)汽車市場(chǎng)還是處于L2高速滲透的階段，基于綜合成本和性能的考量，OEM新增ADAS功能仍沿用分布式架構(gòu)，隨著裝載率的提升，處理傳感器信息的MCU隨之增加。

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，因此當(dāng)前車規(guī)MCU工藝節(jié)點(diǎn)主要是在40nm及以上的成熟制程，部分比較先進(jìn)的車用MCU產(chǎn)品采用了28nm制程。車規(guī)芯片的規(guī)格主要是8英寸晶圓，部分廠商尤其IDM開始向12英寸平臺(tái)遷移。

目前28nm和40nm工藝是市場(chǎng)主流。

國(guó)內(nèi)外典型企業(yè)

相較于消費(fèi)和工業(yè)級(jí)MCU，車規(guī)級(jí)MCU對(duì)運(yùn)行環(huán)境、可靠性和供貨周期的要求較高，此外車規(guī)級(jí)MCU認(rèn)證門檻比較高，認(rèn)證時(shí)間長(zhǎng)、進(jìn)入難度大，所以整體看MCU市場(chǎng)格局較為集中，2021年世界前五名的MCU企業(yè)占比就達(dá)82%之多。

目前，中國(guó)車規(guī)級(jí)MCU還處在導(dǎo)入期，供應(yīng)鏈本土化、國(guó)產(chǎn)替代化潛力巨大。