解析車規(guī)級MCU的技術(shù)難點(diǎn)

前言

近日，四維圖新旗下全資子公司AutoChips杰發(fā)科技對外宣布，其車規(guī)級MCU產(chǎn)品線又添重量級新成員——AC7801X，這是杰發(fā)科技繼2018年底量產(chǎn)的國內(nèi)首顆車規(guī)級MCU 芯片——AC7811之后，又一顆32位Cortex-M0+車規(guī)級MCU芯片投放市場，標(biāo)志著國產(chǎn)自主車規(guī)MCU又前進(jìn)了一步，打破國外芯片廠商多年的行業(yè)壟斷，為國內(nèi)汽車半導(dǎo)體行業(yè)樹立新的標(biāo)桿。

MCU是什么

MCU （Microcontroller Unit） 是微控制單元的英文縮寫，又稱單片機(jī)或微控制器。通俗點(diǎn)來講，MCU就是一臺計(jì)算機(jī)，但是它是微型的計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)通常包括運(yùn)算器、計(jì)時器、輸入輸出、接口和內(nèi)存等等，MCU只是將這些東西集成在了一顆芯片上，然后將這顆芯片應(yīng)用在不同的產(chǎn)品里，實(shí)現(xiàn)對產(chǎn)品的運(yùn)算和控制。

MCU廣泛應(yīng)用在不同領(lǐng)域。一般分為8位，16位和32位，不同位數(shù)對應(yīng)不同的細(xì)分領(lǐng)域：8位單片機(jī)常見的應(yīng)用產(chǎn)品如：計(jì)算器、玩具、計(jì)量秤、充電器、溫濕度計(jì)、遙控器、馬達(dá)控制器、鍵盤等；16位到32位MCU主要應(yīng)用于智能家居、物聯(lián)網(wǎng)、汽車電子、電機(jī)驅(qū)動、安防等。其實(shí)，MCU離我們并不遠(yuǎn)，在我們?nèi)粘＝佑|的電子產(chǎn)品里，都有一顆非常神奇的芯片，它就是功能強(qiáng)大的MCU。

車規(guī)級MCU的技術(shù)難點(diǎn)

芯片被譽(yù)為現(xiàn)代工業(yè)的“糧食”，也是現(xiàn)代科技“皇冠上的明珠”。小到一個加濕器，大到一個航天飛機(jī)，作為整個信息控制系統(tǒng)的“大腦”，MCU其實(shí)無處不在。所以，不同應(yīng)用市場對MCU的規(guī)格要求也不盡相同，我們根據(jù)MCU用途等級，一般可分為商業(yè)級，工業(yè)級，汽車級和軍工級：

可以看出，不論從對工作溫度，交付良率還是工作壽命的要求來看，主要針對消費(fèi)類電子的商業(yè)級MCU相對較低，其次是針對工業(yè)電腦、器械控制的工業(yè)級MCU，而汽車電子所采用的車用MCU，則是要求和難度要遠(yuǎn)高于前兩種，僅次于軍工級。

在汽車電子芯片領(lǐng)域，MCU的應(yīng)用范圍非常廣，從車身動力總成，到車身控制、信息娛樂、輔助駕駛，從發(fā)動機(jī)控制單元，到雨刷、車窗、電動座椅、空調(diào)等控制單元，每一個功能的實(shí)現(xiàn)背后都需要復(fù)雜的芯片組支撐，其中MCU扮演最重要的角色。在一輛汽車所裝備的所有半導(dǎo)體器件中，MCU大概占三成，平均下來每輛車要用到70顆以上的MCU芯片。需要實(shí)現(xiàn)車內(nèi)各類應(yīng)用場景的同時，還要對安全性有足夠保證，這也是對車用MCU本身的功能、可靠性、工作溫度等要求嚴(yán)苛的原因。

汽車電子的品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)一直以來都比一般消費(fèi)性電子產(chǎn)品要嚴(yán)格。試想一下，一個玩具壞了可以修或者換個玩具，而一輛汽車使用過程中要使用到一萬多個零件，假如任何一個零件出現(xiàn)問題，對于消費(fèi)者而言都有可能造成極大的困難，甚至危及生命安全。所以滿足汽車產(chǎn)品要求遠(yuǎn)比想象的要復(fù)雜，為了明確界定這個要求，自然也會有相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，針對芯片領(lǐng)域，AEC Q100是公認(rèn)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)之一，也是車規(guī)級MCU芯片必須達(dá)到的標(biāo)準(zhǔn)。

下面我們就圍繞AECQ100中比較典型的標(biāo)準(zhǔn)要求，來看看車規(guī)級MCU具體難在哪里：

環(huán)境要求

首先是溫度：汽車電子對元件的工作溫度要求比較寬，根據(jù)不同的安裝位置等有不同的需求，但一般都要高于民用產(chǎn)品的要求，比如發(fā)動機(jī)艙：-40℃-150℃；車身控制：-40℃-125℃；而消費(fèi)類產(chǎn)品只需要達(dá)到：0℃-70℃。

其它環(huán)境要求：濕度，發(fā)霉，粉塵，水，EMC，以及有害氣體侵蝕等等往往都高于消費(fèi)電子產(chǎn)品要求。

運(yùn)行穩(wěn)定要求

汽車在行進(jìn)過程中會遭遇更多的振動和沖擊。這種要求可能會比擺放在家里使用的產(chǎn)品要高很多。此外，汽車對器件的抗干擾性能要求極高，包括抗ESD靜電，EFT群脈沖，RS傳導(dǎo)輻射等，MCU在這些干擾下需要做到不損壞、不死機(jī)、不復(fù)位。

可靠性要求

這里的可靠性主要包含兩個方面：首先是使用壽命要可靠：一般的汽車設(shè)計(jì)壽命都在 15 年 20 萬公里左右，遠(yuǎn)大于消費(fèi)電子產(chǎn)品壽命要求。 其次是汽車系統(tǒng)組成的部件要可靠：目前車上的電子化程度已經(jīng)非常高了，從動力總成到制動系統(tǒng)，都裝配了大量的電子裝置，每個裝置里面又由很多的電子元件組成。如果就簡單的把它們看成串聯(lián)關(guān)系，那么要保證整車達(dá)到相當(dāng)?shù)目煽啃?，對系統(tǒng)組成的每一個部分要求是非常高的。

一致性要求

現(xiàn)在的汽車已經(jīng)進(jìn)入到了一個大規(guī)模生產(chǎn)的階段的，一款車 1 年可以生產(chǎn)數(shù)十萬輛，所以這對產(chǎn)品質(zhì)量的一致性要求就非常高了。這在早些年對于半導(dǎo)體材料來說，是挺有挑戰(zhàn)的。

畢竟生產(chǎn)半導(dǎo)體中的擴(kuò)散等工藝的一致性是很難控制的，生產(chǎn)出來的產(chǎn)品性能易離散，早期只能依靠老化和篩選來完成，現(xiàn)在隨著工藝的不斷提高，一致性得到極大提高。質(zhì)量的一致性也是很多本地供應(yīng)商和國際知名供應(yīng)商的最大差異。對于組成復(fù)雜的汽車產(chǎn)品來說，一致性差的元件導(dǎo)致整車出現(xiàn)安全隱患是肯定不能接受的。

產(chǎn)品生命周期要求

雖然近些年，汽車產(chǎn)品不斷的降價(jià)，但汽車還是一個耐用的大件商品，產(chǎn)品使用周期要達(dá)到15年以上，最為汽車零部件供應(yīng)商，必須要保持相當(dāng)長的時間的售后配件的供應(yīng)能力。同時開發(fā)一個汽車零件需要投入大量的驗(yàn)證工作，更換元件帶來的驗(yàn)證工作也是巨大的，所以整車制造企業(yè)和零部件供應(yīng)商也需要維持較長時間的穩(wěn)定供貨。

良率要求

車規(guī)級MCU產(chǎn)品需要有批量一致性。如何把產(chǎn)品的不良率做到1DPPM（defective parts per million的縮寫。是指百萬分比的缺陷率 ）以下，這對芯片設(shè)計(jì)、制造、封測各環(huán)節(jié)都是一個非常大的挑戰(zhàn)，車規(guī)芯片的工藝技術(shù)難度遠(yuǎn)大于消費(fèi)電子類芯片。

國產(chǎn)MCU面臨的困難和挑戰(zhàn)

作為第三次工業(yè)革命的引爆點(diǎn)，以芯片為代表的半導(dǎo)體行業(yè)催生了電腦、移動互聯(lián)網(wǎng)、通信技術(shù)、工業(yè)數(shù)字化等一系列重要變革?？梢哉f，芯片技術(shù)是現(xiàn)代科技的核心競爭力之一，代表了一個國家的科技水準(zhǔn)與創(chuàng)新想象力。作為高速增長的全球第二大經(jīng)濟(jì)體，中國在芯片與集成電路領(lǐng)域進(jìn)口額已連續(xù)多年超過2000億美元，并在2013年取代石油成為最大宗進(jìn)口產(chǎn)品。所以， “芯片已成為中國經(jīng)濟(jì)增長的命脈之一”，已經(jīng)不是一句空話。

在汽車向智能化的演進(jìn)過程中，對安全、環(huán)保要求越來越高，因此對MCU的需求增長更快。IC Insights預(yù)測，車用MCU銷售額將在2020年接近65億美元，并在2023年達(dá)到81億美元。 然而，目前國內(nèi)車用MCU市場仍然是瑞薩、恩智浦、德州儀器、英飛凌、賽普拉斯、意法半導(dǎo)體等國外半導(dǎo)體廠商的天下，而 中國制造仍然處于奮力追趕的階段，主要是因?yàn)檐囈?guī)級MCU芯片研發(fā)周期長，設(shè)計(jì)門檻高，資金投入大，使得國內(nèi)很多廠商望而卻步。

杰發(fā)科技車規(guī)級MCU產(chǎn)品布局

無論從標(biāo)準(zhǔn)的嚴(yán)苛要求，還是國外壟斷的局勢，都可以看出國產(chǎn)車用芯片難度之高，畢竟，汽車電子涉及到行車安全，生命安全，行業(yè)的特殊性決定了芯片廠商必須具備極高的專業(yè)度。

作為目前國內(nèi)目前唯一一家專注于汽車電子的芯片設(shè)計(jì)公司，四維圖新旗下杰發(fā)科技接受挑戰(zhàn)。研發(fā)團(tuán)隊(duì)從2010年組建之初就開始進(jìn)軍車載信息娛樂芯片，經(jīng)過多年發(fā)展，在IVI后裝市場市占率已達(dá)到70％。隨后投入車規(guī)級MCU的研發(fā)， 用3年的時間于2018年12月推出了車規(guī)級32位MCU芯片—AC781X。

首先，AC781X是國內(nèi)自主研發(fā)首顆達(dá)成量產(chǎn)的車規(guī)級32位MCU芯片，預(yù)示著國產(chǎn)芯片在該領(lǐng)域打破國際壟斷，實(shí)現(xiàn)零的突破。AC781X的成功量產(chǎn)，得到了市場的廣泛關(guān)注及認(rèn)可，并相繼在一些客戶項(xiàng)目中投入開發(fā)和批量采用。

隨后，針對不同細(xì)分市場及功能需求，杰發(fā)科技對AC781X進(jìn)行了產(chǎn)品功能的優(yōu)化及成本控制，并于近日成功推出了AC7801X系列車規(guī)級MCU，也就是本文開篇所提到的。與AC781X系列相比，AC7801X在功能上更加細(xì)分， 同時也可以為客戶降低相應(yīng)的成本。在性能方面，AC7801X采用ARM?Cortex-M0+內(nèi)核，48MHz主頻，工作溫度支持-40℃~125℃，工作電壓支持2.7V~5.5V，增加CAN-FD接口，兼容CAN2.0B，兩路LIN接口，同時采用了48PIN、32PIN、20PIN三種封裝形式，極大地提升了AC7801X的適配靈活度及低功耗、高可靠性優(yōu)勢，AC7801X的目標(biāo)應(yīng)用主要集中與汽車車身控制、冷卻、照明系統(tǒng)，同時也可應(yīng)用于高可靠性工業(yè)領(lǐng)域，如水泵、油泵、工業(yè)風(fēng)機(jī)、電機(jī)等產(chǎn)品控制系統(tǒng)。AC7801X MCU的成功推出，豐富了杰發(fā)科技MCU產(chǎn)品系列，擴(kuò)大了AutoChips MCU終端應(yīng)用范圍，也滿足了客戶針對國產(chǎn)車規(guī)級MCU的迫切需求。

未來，隨著國家智能汽車發(fā)展戰(zhàn)略的不斷深入，汽車智能化水平將不斷提高，這給發(fā)展中的國內(nèi)MCU行業(yè)帶來了巨大機(jī)遇與挑戰(zhàn)，針對車用MCU的產(chǎn)品品質(zhì)、功能安全、算力、控制精度、接口類型等也提出了更高的要求。杰發(fā)科技在現(xiàn)有車規(guī)MCU產(chǎn)品系列基礎(chǔ)上，瞄準(zhǔn)行業(yè)前沿應(yīng)用技術(shù)，持續(xù)發(fā)力，目前已相繼布局、投入研發(fā)團(tuán)隊(duì)開發(fā)下一代高性能車規(guī)MCU——AC7821、AC7825系列，進(jìn)一步打破國產(chǎn)自主高性能車規(guī)MCU的市場空白。

寫在最后：業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，國產(chǎn)芯片要真正實(shí)現(xiàn)突破，不僅要緊跟前沿技術(shù)發(fā)展趨勢，更要與下游應(yīng)用產(chǎn)業(yè)融合，聯(lián)合各行業(yè)加快相關(guān)應(yīng)用方案落地、加速迭代。隨著產(chǎn)品更新?lián)Q代和新興應(yīng)用的快速發(fā)展，未來32位MCU是市場主流這是毋庸置疑的。
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