车规级MCU芯片介绍

第一部分：MCU是智能汽车的核心零部件

MCU广泛应用于各行各业

微控制器（Micro-controller Unit，简称MCU）是指把中央处理器的规格与规格做适当缩减，并将内存、计数器、模数转换器（A/D转换）、异步收发传输器（UART）、可编程逻辑控制器（PLC）以及各种输入输出结构等整合在单一芯片上，形成芯片级的计算机，被广泛地应用在消费电子、计算机和通信、工业、汽车电子、物联网等领域。

图1  MCU产品示意图

常用的车用半导体芯片主要分为控制类半导体、功率类半导体和传感器，MCU一般是用于汽车控制的核心芯片。IC Insight数据显示，2019年车规级MCU销售额占MCU总销售额的39%，预计车规级MCU的需求和用量也将进一步提升。

对于智能汽车来讲，车规级MCU的应用范围将更为广泛，无论是简单的驾车操作，比如发动机控制、雨刷器、车窗控制、电动座椅、空调等控制单元，还是到复杂且智能的车载功能，比如车身动力、行车控制、信息娱乐、辅助驾驶等，每一个功能的实现都需要复杂的芯片组和稳定的算法作为支撑。

图2  汽车MCU分布广泛

MCU将是"汽车大脑"的重要组成

MCU作为汽车智能大脑，扮演核心的思考、运算、控制的功能，随着汽车的电子电器架构向集中式演进，MCU不仅需要继续承担色彩信息、空间信息等高维数据的采集、转换和传送功能，还需要承担智能决策控制的核心角色，随着自动驾驶等级的逐步提高，MCU市场有望加速增长。

以自动驾驶车辆的电子控制系统为例。在驾驶过程中，各类传感器会将采集的数据传送给底盘系统、动力系统、制动系统和驾驶系统的MCU中，由MCU进行数据的采集和转换，并传递给中央系统进行数学运算和驾驶决策制定，中央系统会继续将决策指令传回到MCU中，由MCU传达到底盘系统、动力系统、制动系统和驾驶系统中的执行对象来进行指令的执行，从而实现MCU对各个执行对象的智能控制。

图3  MCU成PC端与信息采集的核心枢纽

以新能源汽车的车辆控制系统为例。整车控制器（Vehicle Controller Unit，简称VCU）是实现整车控制决策的核心电子控制单元，是新能源汽车的中央控制单元。VCU通过采集油门踏板、挡位、刹车踏板等信号来判断驾驶员的驾驶意图，并通过监测车辆状态（车速、温度等）信息，由VCU判断处理后，通过MCU向动力系统、动力电池系统发送车辆的运行状态控制指令，从而实现对发动机和车载电力系统工作模式的控制。

图4  新能源汽车整车控制器示意图

第二部分：相关政策利好集成电路和车规级MCU行业

2020年10月，国务院常务会议通过的《新能源汽车产业发展规划（2020-2035）》提到，以市场主导、创新驱动、协调推进、开放发展为基本原则，力争经过15年持续努力，使我国新能源汽车核心技术达到国际领先水平，我国进入世界汽车强国行列。汽车电子作为新能源汽车的核心零部件，将成为半导体行业中极具发展活力与潜力的市场方向，强大的政策支持和产业的打通融合将推动车规级MCU的成长、发展和广泛应用。

表1  相关政策大力支持MCU、智能汽车 、新能源汽车及集成电路产业发展

国产替代需求推动突破车规级MCU瓶颈

从目前国内汽车的保有量来看，车规级MCU的需求将提升。同时，随着汽车智能化程度的提高，车规级MCU的需求也将进一步扩大，车规级MCU的数量和价值有望得到大幅提升，其中32位MCU用量的提升速度将会更快。但是，国内MCU厂商在车规级MCU领域所占据的市场份额仍较小，考虑到中国半导体进口受限的现状，国产替代的需求日益增加。

表2  车规级MCU的技术标准远高于消费电子类芯片

目前，车规级MCU的瓶颈较为明显。一般而言，汽车电子产品的技术标准比商业级和工业级更加苛刻，对工作温度、交付良率、工作寿命等方面的要求仅次于军工级。例如，车规级MCU需要符合零失效的ISO-16949质量标准、AEC-Q100可靠性标准、ISO26262功能安全保证级别标准等，使用周期15到20年，技术难度远远大于消费电子类芯片。

另外，生态系统建设较为复杂，车规级标准包含了从芯片设计、流片工艺、封装测试到产品测试全产业链的要求，只有具备丰富芯片设计经验、全面产品质量管控、充足人力物力的公司，才有可能研发出满足汽车正常运行需求的MCU芯片。

车规级MCU芯片研发周期长、设计门槛高、资金投入大，目前国内车规级MCU市场仍然是瑞萨、恩智浦 、德州仪器 、英飞凌、赛普拉斯、意法半导体 等国外半导体厂商的天下，国产车规级MCU企业也处于奋力追赶的阶段。

考虑到车规级MCU对稳定性要求极高，产品一旦被车厂使用，就很难被替代；而且，由于车企的切换成本较高，一般不会轻易去更换其零部件产品，所以率先卡位十分重要。一旦初创企业可以突破车规级技术瓶颈、成功进入市场，便可建立起极高的护城河，并进入10-15年的稳定供货阶段，很难被替换。这一特点使得国产MCU企业，有极大的机会通过突破车规级技术瓶颈来逐步渗透国内广阔的汽车电子市场。

要求	具体描述
温度要求	汽车电子对元件的工作温度要求比较宽，根据不同的安装位置等有不同的需求，如发动机舱为-40℃-150℃;车身控制为-40℃-125℃;而消费类产品只需要达到0℃-70℃。
环境要求	湿度、发霉、粉尘、水、EMC以及有害气体侵蚀等往往都高于消费电子产品要求。
运行稳定要求	汽车在行进过程中会遭遇更多的振动和冲击，这种要求可能会比摆放在家里使用的产品要高很多。
抗干扰要求	汽车对器件的抗干扰性能要求极高，包括抗ESD静电、EFT群脉冲、RS传导辐射等，MCU在这些干扰下需要做到不损坏、不死机、不复位。
可靠性要求	使用寿命要可靠，一般汽车设计寿命都在15年、20万公里左右，远大于消费电子产品寿命要求。
一致性要求	质量的一致性是很多本地供应商和国际知名供应商的最大差异。对于组成复杂的汽车产品来说，一致性差的元件会导致整车出现安全隐患，这是无法被市场接受的。
产品生命周期要求	一般的使用周期要达到15年以上。作为汽车零部件供应商，必须要保持相当长时间的售后配件供应能力；同时，开发一个汽车零件需要投入大量的验证工作，更换元件带来的验证工作也是巨大的，所以整车制造企业和零部件供应商需要维持较长时间的稳定供货。
良率要求	车规级MCU产品需要有批量一致性。如何把产品的不良率做到1DPPM(defectivepartspermillion的缩写，是指百万分比的缺陷率)以下，这对芯片设计、制造、封测各环节都是一个非常大的挑战。

表3  车规级MCU瓶颈较高

智能网联推动车规级MCU升级，32位已成主流发展方向

在ADAS以及自动驾驶领域中，MCU主要配合负责感知的高算力MPU或SoC，根据当前车辆的运动状况和感知目标进行控制变量的计算。在汽车向智能化系统演变的过程中，行业和政策对于智能汽车安全性、环保性的规定越来越高，所以对MCU的控制运算能力有了更高的要求。

尤其是域控制器和众多ECU的执行架构成为了汽车电子控制的主流架构，其对算力、网络接口的功能有了更高的需求，同时需要降低功耗，这对MCU芯片提出了更高的要求，也直接推动了车规级MCU的升级。

从总线宽度方面，车规级MCU逐渐由8/16位升级到32位，32位MCU工作频率大多在100-350MHz之间，处理能力和执行效能比8/16位更好，其应用也更为宽泛。此外，随着先进制程工艺的采用，32位MCU的成本逐年降低，价格上将更有竞争力。

未来，随着汽车智能化程度的不断增加，车规级MCU将向多功能集成及超低功耗方向发展，且使用数量将不断增加；同时，大量使用的车载传感器、车载摄像头，也需要高性能的MCU来做模拟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，32位车规级MCU将成为主流产品。

MCU分类	汽车各系统应用领域
8位	车用空调系统、电动船控制系统、电动座椅控制设备、电动照后镜系统等
16位	防滑刹车系统、车用稳定控制、安全气囊系统模组、引擎控制系统、车速控制设计等
32位	驾驶者资讯装置、智能控制装置、多媒体系统产品、多媒体娱乐系统设备

表4  车规级MCU的应用领域

从工艺制程方面，目前主流为55nm工艺制程，未来40nm和22nm制程有望得到推广。相对于目前集成电路5nm、3nm的先进制程，40nm和22nm并不是前沿的技术节点，但对于车规级MCU已经足够，这对中国相对滞后的半导体技术而言压力较小。工艺越先进的MCU动态功耗越好，但静态功耗反而会因此变差，市场普遍认为40nm和22nm是非常适合MCU的技术节点，在这两个尺寸上面的MCU可以实现成本最优。

第三部分：MCU芯片介绍

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。

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。

第四部分：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、光刻机等。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。

第五部分：MCU技术发展趋势

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来做模拟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。