車載處理器如何賦能未來汽車電子電氣架構(gòu)？本文告訴你……

汽車電子電氣架構(gòu)正在發(fā)生深刻的變革。在這一趨勢(shì)下，車載處理器技術(shù)將如何演進(jìn)？會(huì)進(jìn)化出哪些車載處理器“新物種”？這些“芯”變化將對(duì)汽車電子的開發(fā)帶來何種影響？……想必這是很多汽車圈小伙伴都關(guān)心的問題。

在日前由中國汽車工業(yè)協(xié)會(huì)主辦的第12屆中國汽車論壇上，恩智浦大中華區(qū)資深市場(chǎng)經(jīng)理余辰杰先生發(fā)表了題為《車載處理器賦能未來汽車電子電氣架構(gòu)》的精彩演講，從整車電子電氣架構(gòu)演進(jìn)對(duì)車載處理器的機(jī)遇與挑戰(zhàn)、恩智浦全新一代16nm車載實(shí)時(shí)處理器，以及恩智浦車載處理器生態(tài)圈支持等幾個(gè)方面，進(jìn)行了系統(tǒng)地闡述。

通過這個(gè)講演，大家可以看到，針對(duì)上述業(yè)界關(guān)注的課題，恩智浦已經(jīng)通過縝密的思考和積極的實(shí)踐，給出了一個(gè)全面的解決方案。我們將本次講演中的精彩內(nèi)容提煉出來，在這里與大家分享，希望對(duì)大家未來的汽車電子開發(fā)提供助力。

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電子電氣架構(gòu)是最近大家聊的非常多的話題，下圖最左側(cè)，是傳統(tǒng)的分布式的架構(gòu)，逐漸會(huì)往以功能為邏輯劃分的域控架構(gòu)轉(zhuǎn)變，比如座艙域、智駕域、多合一動(dòng)力域、底盤域等等。

更新的架構(gòu)形態(tài)是基于區(qū)域控制器的架構(gòu)，一個(gè)區(qū)域控制器所包含的功能取決于相鄰物理結(jié)點(diǎn)的的執(zhí)行器所負(fù)責(zé)的任務(wù)。舉個(gè)簡(jiǎn)單例子，比如車的左前域，可能把底盤，甚至轉(zhuǎn)向功能結(jié)合車身的部分功能集成進(jìn)來。

最右端就是最終形態(tài)，整車電子電器架構(gòu)圍繞一個(gè)大的中央計(jì)算平臺(tái)，它可能集成了所有智駕，座艙、車身等等需要高算力的任務(wù)。然后在邊緣測(cè)的結(jié)點(diǎn)上，就是一些智能執(zhí)行器了。

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從大的趨勢(shì)我們看到，無論是從域，或者域結(jié)合傳統(tǒng)分布式結(jié)點(diǎn)的中間方案，還是后面逐漸往區(qū)域化過渡。這其中的好處是什么？

首先域架構(gòu)肯定會(huì)使我們的軟件更集中，把原來一些可能邏輯類似但分布在不同ECU當(dāng)中的功能，集成到一個(gè)域控制器當(dāng)中來。同時(shí)這樣也會(huì)使得傳感器的輸入和ECU之間的數(shù)據(jù)交互延遲得到優(yōu)化。還有如OTA升級(jí)策略，本來一個(gè)功能是分布在幾個(gè)ECU結(jié)點(diǎn)里，現(xiàn)在也會(huì)集中到一個(gè)ECU中，簡(jiǎn)化了升級(jí)流程。

區(qū)域控制器的好處就更直觀了，原來一些分布在不同物理位置的控制器，現(xiàn)在被集中到了一個(gè)地方。線束重量降低了，原先多個(gè)性能較低的MCU被區(qū)域控制器中的高算力實(shí)時(shí)處理器所取代，比如我后面會(huì)著重介紹到的恩智浦S32Z/E系列SoC。

汽車工業(yè)的一個(gè)永恒的話題就是輕量化，比如通過寬禁帶半導(dǎo)體功率器件提升動(dòng)力系統(tǒng)的功率密度，同時(shí)電子電器架構(gòu)的演進(jìn)導(dǎo)致的線速的長度和重量的減少也不可忽視。而驅(qū)動(dòng)電子電器架構(gòu)演進(jìn)的底層動(dòng)力是處理器性能的迭代。

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在恩智浦看來，無論何種電子電器架構(gòu)，汽車ECU控制器大致可以分為兩個(gè)大的平臺(tái)。一類稱之為基礎(chǔ)設(shè)施平臺(tái)，我們認(rèn)為不管低端車、高端車、燃油車還是新能源車，總要有動(dòng)力控制部分來驅(qū)動(dòng)汽車；車身網(wǎng)絡(luò)樞紐保障ECU間安全可靠的交互數(shù)據(jù)；還有車身控制部分，如對(duì)門、窗，座椅等控制等。以上這些我們統(tǒng)稱為汽車的基礎(chǔ)設(shè)施平臺(tái)。

另外一大類，我們定義為可選可且可定制部分，比如有一些車的定位在智駕功能上，另一些車則在炫酷的座艙體驗(yàn)上。這些個(gè)性化的功能固然越來越被消費(fèi)者看重，但從車的本質(zhì)看并不是必須的。

恩智浦無論在基礎(chǔ)設(shè)施平臺(tái)還是在可選部分都有著非常廣的產(chǎn)品布局?；A(chǔ)平臺(tái)上，我們有新近推出的用于動(dòng)力控域控的S32Z/E，網(wǎng)絡(luò)上處理上S32G系列芯片也已經(jīng)被中國眾多主機(jī)廠和一級(jí)供應(yīng)商所接受，車身控制上從上一代功能安全等級(jí)相對(duì)低一些的S32K1，到現(xiàn)在最高可支持ASIL D級(jí)別的S32K3等。

在可拓展平臺(tái)上，i.MX系列座艙SoC一直以來是NXP非常強(qiáng)勢(shì)的一個(gè)產(chǎn)品，ADAS 77GHz毫米波雷達(dá)上，恩智浦有支持4D成像的最一代S32R SoC產(chǎn)品。

當(dāng)然視覺上我們也有S32V這樣的芯片，它定位在一些初階智能駕駛或者環(huán)視為主的低速場(chǎng)景。后面我會(huì)提到，在高階自動(dòng)駕駛端，我們?cè)谥袊呀?jīng)和像地平線這樣的生態(tài)伙伴有很深入的合作。

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談了電子電氣架構(gòu)的演進(jìn)，談了整個(gè)ECU可以把它分為基礎(chǔ)設(shè)施平臺(tái)和可選平臺(tái)，那映射到處理器芯片上，到底對(duì)性能有什么不同要求？

大家可以看到，下圖中越往下，也就是越靠近邊緣側(cè)的執(zhí)行器端，它對(duì)處理器的需求基本上是高實(shí)時(shí)性，比如剎車、油門踩下去，你會(huì)希望動(dòng)力變化很快體現(xiàn)出來，這些往往是以實(shí)時(shí)控制算力為衡量指標(biāo)的，而這些結(jié)點(diǎn)的計(jì)算邏輯也都是面向信號(hào)的。

恩智浦新進(jìn)發(fā)布的S32Z/E產(chǎn)品，已經(jīng)不能歸類為MCU了，因?yàn)樗膶?shí)時(shí)算力已經(jīng)大大超出了傳統(tǒng)的兩三百兆主頻的多核MCU。所以我們把它重新定義為Real-time Processor——實(shí)時(shí)處理器，它在圖片的中間部分。

當(dāng)然我們也看到有一些車身區(qū)域控制器的設(shè)計(jì)，雖然他們大多負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)控制，但也已經(jīng)有主機(jī)廠已經(jīng)提出了運(yùn)用SOA架構(gòu)的設(shè)想，不過目前的主流還是以CAN網(wǎng)絡(luò)為主面向信號(hào)的處理方式，強(qiáng)調(diào)實(shí)時(shí)性，對(duì)I/O的驅(qū)動(dòng)能力要求很高。

這個(gè)也是我想給大家分享的，因?yàn)閺陌雽?dǎo)體原廠的角度來看，我們要滿足芯片高算力的需求，一直以來的做法是不斷迭代先進(jìn)制程，提高集成度，把核的數(shù)目做上去，主頻抬上去。但在未來這么做也許會(huì)越來越困難，特別是在對(duì)類MCU的實(shí)時(shí)處理器來說。因?yàn)閺墓に嚿现v，當(dāng)傳統(tǒng)CMOS工藝下沉到22nm以下時(shí)，Embedded Flash很難和數(shù)字、模擬部分集成到同一個(gè)到硅片上。

我馬上要介紹的S32Z/E是基于16納米制程的，F(xiàn)lash放在哪里？外擴(kuò)是必然，但你的速率如何保證？當(dāng)內(nèi)核達(dá)到1GHz的主頻時(shí)，如果想要XiP，內(nèi)存接口帶寬需要做到多大？而如果只拓展負(fù)責(zé)存儲(chǔ)的Flash，那我們又不得不擴(kuò)大昂貴的片內(nèi)SRAM，附加額外的Shadow Flash，這是一種高成本的實(shí)現(xiàn)。另外還有I/O驅(qū)動(dòng)能力的問題，16納米的制程如何做3.3伏、5伏的I/O，對(duì)車載控制類應(yīng)用來說這也是必須解決的問題。后面我會(huì)介紹S32Z/E是如何克服這些難點(diǎn)的。

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接下來我講一下我們今天的主角，S32Z/E實(shí)時(shí)處理器。如果從傳統(tǒng)認(rèn)知上看，大家可以把這個(gè)芯片理解為一個(gè)MCU。但這個(gè)MCU的算力有了一個(gè)質(zhì)的飛躍，每個(gè)核的主頻可以達(dá)到1GHz，還集成了輕量級(jí)的AI的計(jì)算能力，可以支持MPC算法，用于諸如自動(dòng)駕駛系統(tǒng)中的橫縱向控制計(jì)算。

當(dāng)然因?yàn)樗乃懔軓?qiáng)，加之豐富的以太網(wǎng)接口能力，相對(duì)于傳統(tǒng)MCU，它使支持SOA軟件架構(gòu)成為可能。還需要強(qiáng)調(diào)的是，恩智浦是業(yè)界第一家采用真正意義上的先進(jìn)制程，也就是16nm這個(gè)節(jié)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)車規(guī)實(shí)時(shí)處理器的芯片原廠。另外，正如我前面介紹到的，S32Z/E所對(duì)應(yīng)5納米的下一代產(chǎn)品也已經(jīng)在我們的規(guī)劃當(dāng)中。

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什么是實(shí)時(shí)性？這個(gè)概念其實(shí)是不太好界定的，大家可以理解為非?？斓捻憫?yīng)，但這個(gè)快是相對(duì)的，視應(yīng)用場(chǎng)景而定。下圖中所列出的這些應(yīng)用被普遍認(rèn)為是車輛電子系統(tǒng)中實(shí)時(shí)性要求相對(duì)較高的應(yīng)用。這也就是我們S32Z、S32E所覆蓋的應(yīng)用。

我前面提到了，S32Z/E的算力有了一個(gè)質(zhì)的提升，核的數(shù)目也非常多，最多可以有八個(gè)，你可以獨(dú)立使用，也可以作為四對(duì)鎖步核來使用。下圖左邊就是傳統(tǒng)的電子電氣架構(gòu)，在這種架構(gòu)中你可能有一個(gè)集中的動(dòng)力域控制器，下面掛著分布式的獨(dú)立功能的ECU。

但現(xiàn)在你有了最多可以提供8個(gè)1GHz主頻的S32Z/E，你可能希望把這些功能都集中到一個(gè)控制器，甚至于一顆芯片中來。

不過，即便硬件的性能支持你這么做，但是更大的挑戰(zhàn)在軟件和系統(tǒng)的認(rèn)知。對(duì)于一些能力比較強(qiáng)的Tier 1，本身開發(fā)過這些獨(dú)立功能的ECU，他們會(huì)非常樂于接受這樣的芯片，他們可以自己定義一個(gè)新的電子電氣架構(gòu)，設(shè)計(jì)出成本更優(yōu)化的產(chǎn)品，最后推薦給主機(jī)廠。

但是對(duì)于大部分的供應(yīng)商而言，他們很少有機(jī)會(huì)同時(shí)做過這么多控制器，我認(rèn)為這個(gè)時(shí)候就會(huì)催生出一個(gè)新的業(yè)務(wù)模式，我把它稱作就是“軟件即產(chǎn)品”。即出現(xiàn)一系列專注于某類應(yīng)用上層算法的軟件供應(yīng)商。當(dāng)然，要支撐這種軟件業(yè)務(wù)模式，硬件上除了要具備高算力之外，還需要有虛擬化和隔離機(jī)制做支撐，使得不同的應(yīng)用程序互相不干擾的運(yùn)行。S32Z/E無論從內(nèi)核還是SoC架構(gòu)上都設(shè)計(jì)了必要的虛擬化隔離機(jī)制。

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下圖是S32Z/E整個(gè)芯片的框圖，大家可以看到，它的主要計(jì)算部分有若干個(gè)Cortex-R52的組合，有四對(duì)鎖步的Cortex-R52，它是主要被用來做業(yè)務(wù)邏輯的。還有一個(gè)深藍(lán)色的Cortex-M33的鎖步核，我們稱之為System Manager，它可以被用來完成一些系統(tǒng)功能，比如做Secure Boot，或者做整個(gè)芯片系統(tǒng)的功能安全監(jiān)控等，和處理主業(yè)務(wù)邏輯的Cortex-R52完全隔離開來。

計(jì)算部分，我們還集成了一個(gè)DSP核，可以完成一些輕量級(jí)機(jī)器學(xué)習(xí)業(yè)務(wù)，主要針對(duì)ADAS上的，比如基于MPC的橫縱向控制算法，因?yàn)樗枰芏嗟母↑c(diǎn)算力，如果是要跑在傳統(tǒng)的邏輯核上面，它效率是非常低的，因?yàn)?a target="_blank">Simulink MPC Toolbox生成出來的代碼很多是基于Vector C的庫的。

再來看網(wǎng)絡(luò)安全引擎HSE——S32Z/E集成的HSE加密引擎支持目前業(yè)界所有主流的對(duì)稱和非對(duì)稱加密算法。這里還要重點(diǎn)介紹一下S32Z/E中集成的一個(gè)網(wǎng)關(guān)子系統(tǒng)，稱之為FlexLLCE，它是由兩對(duì)四百兆主頻的M33核負(fù)責(zé)調(diào)度，通過一個(gè)CAN Hub支配24個(gè)CAN Controller組成的一個(gè)的CAN網(wǎng)關(guān)子系統(tǒng)。所有的CAN網(wǎng)關(guān)相關(guān)的功能，可以完全在這個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行閉環(huán)處理。

還有我們集成了博世最先進(jìn)的GTM4.1，這是用來做高精度PWM輸出的，主要應(yīng)用場(chǎng)景包括發(fā)動(dòng)機(jī)噴油點(diǎn)火，新能源汽車的主驅(qū)控制。當(dāng)然我們也有TSN支撐的以太網(wǎng)接口。

最后說一下存儲(chǔ)器部分，因?yàn)檫@是一顆16納米制程的芯片，以目前的工藝水平無法集成Embedded Flash，所以我們需要一個(gè)額外的Flash Shadow放在外部，我們?cè)谙到y(tǒng)初始化時(shí)會(huì)把存這個(gè)Shadow Flash里面的程序，直接加載到內(nèi)部高達(dá)19MB的SRAM里面去。這樣做的好處顯而易見，因?yàn)镾RAM的運(yùn)行速度肯定會(huì)快。我們還會(huì)提供LPDDR4以及Hpyerbus 接口，可以方便用戶靈活拓展高速存儲(chǔ)介質(zhì)。

下圖右邊的S32E2，是S32Z2的一個(gè)升級(jí)，它主要彌補(bǔ)了S32Z2對(duì)5V模擬I/O支持不足的問題。

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恩智浦公司作為全球領(lǐng)先的汽車處理器供應(yīng)商，在芯片底層軟件上的投入是非常大的，無論從MCAL、HSE Firmware，還是一些私有的網(wǎng)絡(luò)加速器IP的驅(qū)動(dòng)上，恩智浦都投入了大量的研發(fā)資源。

但這并不意味著在“軟件定義汽車”的新時(shí)代里恩智浦會(huì)成為一個(gè)軟件公司，事實(shí)上我們也只能聚焦在和硬件最緊密相關(guān)的底層軟件上，這就是為什么我們需要一個(gè)很強(qiáng)大的生態(tài)。比如在AUTOSAR軟件中，MCAL和HSE Firmware只是和硬件相關(guān)的驅(qū)動(dòng)層，而整個(gè)AUTOSAR框架中大部分模塊是和硬件無關(guān)的上層協(xié)議棧。

過去我們依靠Vector、EB這類國際軟件供應(yīng)商為恩智浦全球的客戶提供這類軟件，今天我們?cè)谥袊灿邢衿杖A、東軟這樣的優(yōu)質(zhì)生態(tài)合作伙伴專門服務(wù)本土客戶。另外和硬件生態(tài)合作伙伴上，我們也有非常多的實(shí)踐，比如在高等級(jí)自動(dòng)駕駛方案上，我們就選擇了和地平線公司合作，一起開發(fā)了基于地平線征程5和恩智浦S32G的Matrix Superdrive參考設(shè)計(jì)，該方案也已經(jīng)被許多中國主機(jī)廠所接受。

恩智浦作為一家深耕中國市場(chǎng)的外資芯片原廠，一直把拓展本土生態(tài)圈作為工作重點(diǎn)。我們深信恩智浦在中國的成功離不開本土生態(tài)合作伙伴的支持和幫助。

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