一辆传统燃油车需要大约500到600颗芯片,轻混汽车大约需要1000颗,插电混动和纯电动汽车则需要至少2000颗芯片。这就意味着在智能电动汽车快速发展的过程中,不仅对先进制程芯片需求不断增加,而且对传统芯片需求也会持续增加。MCU就是这样,除了单车搭载的数量在不断增长,域控制器也带来了对高安全、高可靠、高算力MCU的新需求增长。
汽车电子中所使用的半导体即车规级芯片,主要有主控芯片(MCU/SoC),功率芯片(IGBT),传感器芯片(CIS)和存储芯片(Flash)四大类,车规级芯片广泛应用于汽车的动力系统、智能座舱及自动驾驶系统,是汽车电子不可或缺的核心元器件。
MCU芯片介绍
MCU,Microcontroller Unit,中文称单片微型计算机/微控制器/单片机,将CPU、存储器、外围功能整合在单一芯片上,形成具有控制功能的芯片级计算机,主要用于实现信号处理和控制,是智能控制系统的核心。
MCU和汽车电子,工业,计算机和网络,消费电子,家电和物联网等我们生活和工作密切相关,汽车电子是汽车电子中最大的一个市场,全球范围内汽车电子所占比例高达33%。
在汽车电子的各个系统当中,往往需要采用车用MCU(车用微控制器)作为运作控制的核心,负责各种信息的运算处理,用于汽车的动力总成、辅助驾驶、网络互联、底盘安全、信息娱乐以及车身电子等方向。
图1、MCU的基本结构
构成MCU的几个重要组件包括:
1、中央处理器(CPU)
CPU是单片机的大脑。它由算术逻辑单元(ALU)和控制单元(CU)组成。CPU读取、解码和执行指令以执行算术、逻辑和数据传输操作。
2、存储单元
任何计算系统都需要两种类型的存储器:程序存储器和数据存储器。程序存储器,顾名思义,包含程序,即要由CPU执行的指令。另一方面,数据存储器需要在执行指令时存储临时数据。通常,程序存储器是只读存储器(ROM),数据存储器是随机存取存储器(RAM)。
3、输入/输出端口
单片机与外部世界的接口由输入/输出端口(I/O端口)提供。开关、键盘等输入设备以二进制数据的形式从用户向CPU提供信息。CPU在接收到来自输入设备的数据后,执行适当的指令并通过LED、显示器、打印机等输出设备做出响应。
4、定时器/计数器
单片机的重要组件之一是定时器和计数器。它们提供时间延迟和计数外部事件的操作。此外,定时器和计数器可以提供函数生成、脉宽调制、时钟控制等。
5、总线
单片机的另一个重要组件,但很少讲到,它就是系统总线。系统总线是一组连接线,将CPU与其他外围设备(如内存、I/O端口和其他支持组件)连接起来。
MCU的工作原理
MCU的工作原理是逐条执行预存指令的过程,不同类型的单片机有不同的指令系统。为了让一个单片功能自动完成某项具体任务,必须将所要解决的问题编成一系列的指令,并且这些指令必须是由一个单独的函数来识别和执行的,这样一系列指令的集合就变成了程序,这些程序需要预先储存在有存储能力的存储器中,也就是我们常说的内存。
由于程序是按顺序执行的,因此程序中的指令也是一条条地存储,MCU在执行程序时要将这些指令逐个提取并执行,必须拥有能够跟踪指令所在存储单元的功能,这个部分就是程序计数器PC(包括CPU在内),当程序开始运行时,PC将会被分配到程序中每一条指令的存储单元,并一一执行该项指令,PC中的内容自动增加,增加量由这个指令长度决定,每一条都指向下一条指令的起始地址,保证指令顺序执行。
内核架构是影响MCU性能的一个关键要素,更优秀的运算单元需要更先进的内核架构。十几年前,各大MCU厂商均采用各自的内核,如瑞萨采用RX内核,飞思卡尔采用PowerPC,微芯采用PIC,Atmel采用AVR。随着ARM推出Cortex-M架构并开展了独特的开创IP授权的模式,以其软件代码的共享和高兼容性、高密度指令集等特点,现已逐步占据主导地位。
车规MCU的种类
车规MCU按位数可分为8位、16位和32位。位数即MCU单次处理数据宽度,位数越高,MCU性能越强。
8位MCU成本/功耗低,便于开发,性能可满足大部分场景需要,广泛应用于基础功能如风扇、雨刷、天窗,座椅控制等领域。32位MCU运算能力更强,能满足高速处理的需求,多用于解决复杂场景问题,如汽车智能座舱、车身控制、辅助驾驶,行车安全系统等领域。32位的CPU内核以ARM为主流架构,由于CPU指令集庞大,软件开发难度较高,单价一般数倍于8位MCU,因而也有较高的研发壁垒。
图2、不同的MCU
从不同位数MCU规模占比来看,目前全球MCU芯片产品以32位为主。受益于其体积小性能优的特性以及汽车智能化的趋势,32位MCU销售额占比已经从2010年的38.1%提升至2015年的53.7%,进而跃升至2021年65.8%。随着汽车智能化和电动化进一步发展,汽车电子功能将日趋复杂,势必推动车规MCU向更高性能,更小尺寸,更低功耗的方向发展,32位芯片占比有望进一步提高。
从价格上来说,一般8位MCU的单价小于1美元,16位MCU的单价在1~5美元之间,32位MCU价格在5~10美元之间,部分高端产品在10美元以上。但在市场极端缺货情况下,汽车MCU的单价波动幅度极大,德州仪器旗下一款32位MCU——MCF5282CVM66在2022年9月迅猛飙涨,曾一度卖到5000元一颗,此后该芯片单价一度下滑至2000元,2023年3月又涨至4000余元。汽车市场出货的晴雨不一,芯片价格也随之共振。
MCU产业链概况
MCU产业链上游为半导体材料及半导体设备,主要包括硅片、光刻胶、光掩模、电子特种气体、靶材、单晶炉、刻蚀机、***等。中游为MCU制造环节,主要包括芯片设计、单晶硅片制造、晶圆制造、芯片封测。下游应用领域包括汽车电子、工业控制、消费电子、计算机网络等。
图3、MCU行业产业链
MCU市场情况
1、市场规模
IC Insights的数据显示,全球MCU市场规模从2018年的186亿美元增长至2021年的221亿美元,CAGR为5.6%;2022年全球MCU市场规模有望达239亿美元,同比增长8.1%。
图4、全球MCU市场规模
MCU是汽车从电动化向智能化深度发展的关键元器件之一,汽车也是全球MCU第一大应用市场,占比超过1/3,平均每辆汽车MCU需求量高达上百颗。随着汽车半导体行业威廉希尔官方网站 演进和需求升级,智能化将逐步成为相关厂商竞争的主战场,接力电动化成为重要驱动力,MCU作为核心算力芯片深度受益。
2、竞争格局
根据Omdia,MCU市场主要由欧美日芯片厂商牢牢把持,前七大厂商占据全球85.4%的市场份额,但各家企业的占比相对较为平均。
图5、全球MCU市场竞争格局
国内MCU市场方面,根据CSIA和中国汽车工业协会的数据,2021年国内MCU市场约85%(2019年为94%)由外资把持,MCU国产化率低且多集中于消费级,车规级MCU自给率尚不足5%,仍有很大国产替代空间。
根据富昌电子行情预测,2022年4季度的全球车规半导体仍处于供不应求的状态,主要车规MCU大厂如意法半导体,恩智浦和微芯科技都存在不同程度的供货紧张态势,不论是芯片价格还是货期较之前两个季度都有明显的升高。海外大厂的产能扩张尚不能满足市场需求,国内MCU企业有望把握这个供需错配的时间窗口,凭借先前的投入,与国内下游造车新势力合作,加速车规级MCU的国产替代进程。
由于新能源汽车在政策导向及威廉希尔官方网站 驱动下持续发力,预计2023年全球新能源汽车销量将仍有约30%的出货量增长,这也将带动车用MCU的需求量持续提升。从供应端来看,随着晶圆厂产能由消费电子陆续向车规转移,车规半导体芯片总体供应也呈现增长态势。随着供应和需求的双双增长,全年供需将维持较为健康状态,价格走势相对平稳。根据群智咨询(Sigmaintell)调研数据,2023年第一季度车用MCU价格基本停止上涨,预计后续车用MCU价格维持稳定走势。
图6、2023年车用芯片调研及预测
MCU威廉希尔官方网站 发展趋势
1、更高算力
随着汽车智能化程度的不断增加,车规级MCU将向多功能集成、高算力及超低功耗方向发展,且使用数量也会随之增加。同时,未来智能汽车中大量使用的车载传感器、车载摄像头,也需要高性能的MCU来做interwetten与威廉的赔率体系 数据的运算处理与驱动控制。因此,在未来更高阶自动驾驶等级的汽车中,加以多传感器融合的大趋势下,总线宽度32位乃至64位高算力车规级MCU将成为主流产品,而8/16位中低端MCU则会被更高制程的SOC所集成,失去增长动力。
2、更高集成度
由于集成更多功能,主控芯片的算力要求会指数上升,部分MCU会和GPU,DSP,NPU和AI处理单元等不同类型芯片共同被集成到SoC(系统级芯片)上。SoC是MCU集成度更高的结果,其功能更复杂,资源利用效率更高,可胜任如无人驾驶和智能座舱等需要高算力的场景。
3、更高开放度
由于ARM内核IP授权费高昂(芯片售价的2%-15%),很多厂商已开始基于开源的RISC-V内核开发MCU,如瑞萨,英特尔,兆易创新等。RISC-V不仅完全免费开源,还具有低功耗,指令集精简,设计编译简单,支持模块化和可拓展等的特点,这和车规级MCU场景碎片化,功能模块化的特点十分契合。
随着汽车行业的快速发展,汽车电气化率不断提升,车上的ECU也越来越多,众多的ECU由于功能和需求的差异,成本的差异,需要针对不同的ECU选择合适的MCU进行功能和成本上的匹配,以满足开发需求,这时MCU选型就显得尤为重要。
图7、ECU示意图
汽车MCU选型要点
1、普通接口梳理:
梳理出ECU有哪些功能,需要处理的传感器信号,需要控制的执行器数量、以及控制方式,数字检测包括数字和模拟信号的数量。
2、通信功能统计:
3、通信以及各类对外接口的电压:
以及是否需要辅助器件如EEPROM、FLASH、DDR,以便确定哪种工作电压的MCU更为合适。
4、确定GPIO的数量:
根据需求确定需要多少GPIO。
5、确定ADC接口数量:
模拟信号需要ADC检测,需要确定ADC检测的数量。
6、I2C,SPI等通信端口的数量:
一些辅助芯片需要I2C, SPI等通讯方式,不同MCU的资源数量不同且较为有限。
7、统计需要的RAM和FLASH的大小:
统计RAM和FLASH的大小,以便确定选择哪种规格的MCU,以及是否需要外挂,哪种方式更具性价比等等。
8、MCU主频算力确定:
根据当前通信端口、SPI、I2C、FLASH等外设的数据吞吐总量确定MCU算力需求。
图8、MCU结构示意图
车规MCU选型思路
国内外有众多的MCU厂家,国外原厂有英飞凌、瑞萨、恩智浦、德州仪器、意法半导体、微芯等,而国内MCU厂家有芯驰、云途、赛腾微、复旦微、比亚迪半导体、芯旺、杰发、国芯、中微半导、凌鸥创芯、峰岹、国民威廉希尔官方网站 、航顺、芯海、旋智、旗芯、智芯、极海、先楫半导体、小华、兆易创新等,各个厂家的实力,质量,价格不尽相同,且定位和产品路线存在差异,需要多维度的考量厂家的实力和可靠性。
图9、国产MCU原厂及其产品
另外需要确定MCU需要使用哪种核心,如RISC-V, POWER PC, ARM A, ARM M, ARM R5等系列,不同系列的侧重点不同,如ARM A侧重性能,ARM M侧重功耗,ARM R则在性能和功能上进行了折中,另外RISC-V架构没有受美国管制的风险,但是仍处于发展早期,威廉希尔官方网站 及生态链尚不成熟,很多厂家人在观望中,有个别厂家却全身家押注,如:奕斯伟、芯科集成、凌思微,可重点关注此厂商。
图10、ARM结构内核
最后根据功能的种类数量等需求确定MCU的引脚数,通过PCB的布线空间确定MCU的封装,采用BGA还是LQPF封装,另外根据I2C,SPI,CAN,LIN,PWM和ADC的数量需求确定最终型号。
MCU选型是ECU方案最为关键的一环,设计端需要根据ECU的需求确定最优方案,MCU市场同类产品众多,选项较多,我们可以根据质量、保供、支持服务等角度出发优先培养国产供应商,不仅可以满足工信部对国产化的要求,还能掌握更多主动权,甚至可以按我们的要求去设计更为合理的芯片以达到效益最大化。
总之MCU的选型围绕需求、服务、质量、保供、价格这五大方向进行。
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原文标题:汽车MCU选型的8个关键指标
文章出处:【微信号:汽车半导体情报局,微信公众号:汽车半导体情报局】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。
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