未來汽車芯片趨勢　將從MCU轉(zhuǎn)至SoC

　　福特(Ford Motor)在1983年首次于Escort車系導(dǎo)入16位元英特爾(Intel)微控制器(MCU)為基礎(chǔ)的引擎噴射系統(tǒng)，而汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展至今，市面上許多高階汽車已搭載超過100個微處理器，而當(dāng)初的Escort僅搭載1個微處理器。

　　據(jù)Semiconductor Engineering網(wǎng)站報導(dǎo)，汽車內(nèi)部系統(tǒng)控制所用的電子控制單元(ECU)設(shè)計，這些規(guī)范都隨時間不斷演進。福特汽車旗下創(chuàng)新部門全球執(zhí)行長Jim Buczkowski表示，汽車的基本系統(tǒng)歷史悠久，并隨著時間全面電子化且整合，像是窗戶從手搖式、電動式、演變到今日的智能型窗戶。

　　最早的汽車電子系統(tǒng)各自獨立運作，燈光、門鎖、傳動、防鎖死煞車等功能的控制器系統(tǒng)均不同，而現(xiàn)在廠商則漸漸把這些孤立的系統(tǒng)整合起來。整合的第一階段是達到資訊分享，像是感測汽車行駛速度而自動鎖上的門鎖，得將傳動控制系統(tǒng)與傳輸變化等系統(tǒng)連接成一網(wǎng)路，相互溝通、分享不同電子控制模組系統(tǒng)之間的訊號。

　　汽車廠商早已跳脫獨立控制系統(tǒng)，導(dǎo)入控制器區(qū)域網(wǎng)路(Controller Area Network;CAN)，未來也可望搭載乙太網(wǎng)路等高速通訊網(wǎng)路，用以傳輸龐大資料與訊號，整合更多微控制器功能在同一個單位當(dāng)中，同步處理許多不同作業(yè)，不但降低成本也改善效能。?

　　傳統(tǒng)ECU主要以MCU作為基礎(chǔ)，相較之下，先進駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)等新型系統(tǒng)需要不同的系統(tǒng)設(shè)計，因為其效能需求完全在不同層次。此外，ECU擁有更強大的核心，而MCU無法繼續(xù)支持這些系統(tǒng)運行，尤其是相機為基礎(chǔ)的系統(tǒng)。

　　而半導(dǎo)體公司正針對這類ECU做系統(tǒng)單芯片(SoC)設(shè)計，因而擁有許多SoC的IP，必須透過28納米等進階制程技術(shù)才能實現(xiàn)這些SoC。

　　SoC為基礎(chǔ)的ECU設(shè)計與MCU為基礎(chǔ)的設(shè)計大不同，因為MCU是現(xiàn)成、標(biāo)準(zhǔn)型裝置，因此有各式各樣的工具供選用。然而，SoC并非標(biāo)準(zhǔn)裝置，因此得先選用適當(dāng)?shù)腎P來打造SoC，而對于OEM而言，工具環(huán)境則較無受限。

　　一臺汽車內(nèi)一般有50個以上的ECU，而ECU里面又有多重PCB與多重MCU、電源、類比等半裝置。Arteris執(zhí)行長認(rèn)為ECU可多達145個，而多半是MCU。每個主要的子系統(tǒng)都擁有1個SoC，而多數(shù)功能由MCU執(zhí)行。目前改變趨勢在于，汽車現(xiàn)在由更大的、專門的子系統(tǒng)組成，而即時更新的最好方式就是透過SoC。

　　電動汽車大廠Tesla并沒有強迫所有廠商一同電子化，但Tesla的策略迫使汽車廠商重新思考汽車組成的方式。汽車的電子架構(gòu)得重新設(shè)計，才能即時更新，安全芯片得部署于整個汽車系統(tǒng)內(nèi)，而軟體也得重新構(gòu)思。

　　除了一般條件限制、操作模式、政府規(guī)范等挑戰(zhàn)之外，目前ECU設(shè)計的最大挑戰(zhàn)之一，是在成本與電力、溫度條件限制之下，讓高效能處理器達到安全功能標(biāo)準(zhǔn)。此外，現(xiàn)代汽車由至少1億個原始碼組成，而這些程式原始碼由不同公司與團隊設(shè)計，且得符合高需求標(biāo)準(zhǔn)與安全系統(tǒng)，軟體復(fù)雜度也成為一大挑戰(zhàn)。

　　然而，汽車產(chǎn)業(yè)很大一部分由汽車廠商主導(dǎo)，而一級(Tier 1)與二級(Tier 2)供應(yīng)商往往對汽車廠商的要求有求必應(yīng)。近年ECU設(shè)計很大變化之一是汽車開放式系統(tǒng)架構(gòu)(AUTOSAR) 系統(tǒng)建構(gòu)，替汽車廠商定義標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計方式，讓廠商可以針對ECU軟體定義立下標(biāo)準(zhǔn)、溝通方式、資料類型與訊息等等。

　　AUTOSAR也讓汽車廠商與供應(yīng)商有更多的訊息交換，將獨立ECU樣本以數(shù)位格式傳送給一級供應(yīng)商作為數(shù)位規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)。汽車產(chǎn)業(yè)與一般消費性市場不同，得注意許多安全需求與政府規(guī)范，因此，從傳統(tǒng)引擎轉(zhuǎn)型至電子系統(tǒng)的過程也較為繁瑣。

　　益華電腦(Cadence)的歐洲、中東、及非洲地區(qū)汽車行銷執(zhí)行長Robert Schweiger指出，汽車產(chǎn)業(yè)的安全需求與政府規(guī)范影響面甚大，連帶間接影響到益華電腦這類電子公司及其IP產(chǎn)品。

　　汽車產(chǎn)業(yè)目前注重減少碳排放，低功耗技術(shù)變得相當(dāng)重要，而這不僅影響電動汽車發(fā)展，也針對傳統(tǒng)汽油車發(fā)展。因為引擎、電源線等設(shè)計都會影響汽車的總重量，進而影響整體碳排放，此外，廠商設(shè)計ADAS車載安全系統(tǒng)時，也得遵照政府的安全規(guī)范。? 益華系統(tǒng)驗證小組(Systems Verification Group)汽車安全部門產(chǎn)品管理執(zhí)行長Adam Sherer則指出，在開發(fā)汽車系統(tǒng)時，往往比照醫(yī)療、軍用、航空等產(chǎn)業(yè)驗證標(biāo)準(zhǔn)，不但要執(zhí)行功能性驗證，也得進行安全性驗證，這也使汽車產(chǎn)業(yè)與一般消費性市場作出區(qū)隔。

　　現(xiàn)在，汽車產(chǎn)業(yè)得想出要如何提供驗證所需的大量資料，而這意味著從OEM、一級供應(yīng)商、IP等環(huán)節(jié)都得符合驗證需求，達到以ISO 9000為基礎(chǔ)、可重復(fù)、可追蹤的流程，且利用汽車安全整合等級(ASIL)作為品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)評鑒。

　　而汽車產(chǎn)業(yè)在過去一個世紀(jì)以來，整體朝向安全性、穩(wěn)定性提升的趨勢發(fā)展。過去10年間，汽車產(chǎn)業(yè)也增加“效能”與“連接性”(connectivity)二種趨勢，其中效能包括油耗效能與碳排放效能，而連接性指的是車載資訊娛樂系統(tǒng)為主的連接系統(tǒng)，改善人們的駕駛體驗。

　　Ansys-Apache應(yīng)用工程執(zhí)行長認(rèn)為，多數(shù)現(xiàn)代汽車由四大電子子系統(tǒng)組成：分別是引擎與動力傳動控制單位、安全控制子系統(tǒng)、進階駕駛輔助子系統(tǒng)，以及車載資訊娛樂子系統(tǒng)。而這四大電子子系統(tǒng)會控制車體操作與安全性能，或?qū)⒂绊戱{駛與用戶體驗。

　　近年來電子元件設(shè)計、積體電路效能、系統(tǒng)整合等層面提升，也改善汽車整體安全性、穩(wěn)定性、效率、以及連接性。不過，在汽車運作環(huán)境當(dāng)中，電子與安全系統(tǒng)設(shè)計得有足夠穩(wěn)定性與抗干擾性，承受攝氏-50~200度的溫差變化與高溫條件、電磁干擾等苛刻條件。

　　汽車電子元件的溫度穩(wěn)定性、電子遷移現(xiàn)象(electmigration) 、溫度感知疲乏(thermal aware fatigue)等狀態(tài)得先經(jīng)過模擬測試驗證，而半導(dǎo)體IC也得經(jīng)過溫度模擬測試，確認(rèn)穩(wěn)定性與壽命影響。

　　這些IC得承受不同程度的電磁干擾，例如感應(yīng)放電式(inductive discharge)點火系統(tǒng)、電源線放電等高能量干擾，以及天線輻射等低能量干擾。而IC本身設(shè)計也得將自身運行中產(chǎn)生的干擾，降至最小量。汽車所有重要元件都應(yīng)通過抗電磁標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證，像是ISO1152、ISO7673等等。

　　最后，ECU的更新作業(yè)也是很重大的改變。在過去，汽車電子系統(tǒng)無須不斷更新，而現(xiàn)在汽車廠商為跟上消費性電子發(fā)展，汽車廠商得導(dǎo)入手動或連網(wǎng)軟體更新功能，一有新標(biāo)準(zhǔn)或新應(yīng)用就能更新ECU，包括車載資訊娛樂系統(tǒng)(infotainment)或儀表板(Instrument Cluster)等等。