新一代整車E/E架構升級，正在帶來產業(yè)鏈的新變革。
過去幾年，隨著整車智能化加速推進，尤其是算力SoC、下中央計算平臺，以及整車控制功能集成化加持，對于傳統(tǒng)車規(guī)級MCU也提出了更高的要求。
比如，傳統(tǒng)的分布式ECU以及各種單一功能控制，MCU更多是作為控制節(jié)點，用于車身信號處理和控制。常見的包括照明、雨刷、車窗、座椅等車身控制，以及座艙娛樂（主要是儀表）、低階輔助駕駛的低數據量處理和功能安全保障。
而隨著HPC+ZCU這樣的中央計算+區(qū)域控制對于數十個ECU的集成，以及座艙、智駕、底盤動力等關鍵模塊的算力需求及功能處理復雜度幾何級增長，對于MCU也提出了更高性能、高安全、更高帶寬數據通訊及實時性計算的新需求。
按照高工智能汽車研究院的測算，從2024年開始，跨域集中計算平臺（艙駕一體以及HPC+ZCU）將開始進入前裝量產上車周期，預計到2030年，市場占比將突破30%。
其中，算力SoC部分，包括英偉達Thor、高通8775/8795、黑芝麻智能武當C1296等多款計算平臺已經進入開發(fā)和量產階段。而與之配套的下一代高性能MCU也已經蓄勢待發(fā)。
一、AURIX? TC4x，開啟新時代
目前，基于域控和區(qū)控的E/E架構，對于高性能MCU有兩種發(fā)展路線，一種是偏向于MPU，通過導入更多的A核，代表性產品就是汽車網絡處理器，強調應對服務型（SOA）網關需求提供實時網絡性能以及數據包加速；
這種類型的產品在現有新車架構中，主要用于中央網關、座艙域集成網關、底盤中央域以及車云中央計算單元（偏基礎車控）等應用，側重點在于網絡加速。
另一種，則是更平衡的性能優(yōu)化，相比于上一代MCU，在CPU、虛擬化、片上閃存、OTA、網絡安全、高效通信和數據處理以及多種高速數據傳輸接口等多個維度全面升級。
總結來說，就是面向下一代高性能、高集中度整車架構，MCU需要更高處理能力、更高安全性能、更完善的硬件虛擬化支持及隔離特性以及更豐富的網絡連接。
兩年前，為了適應市場的新需求，汽車芯片巨頭英飛凌宣布推出采用28納米工藝技術生產的新AURIX TC4x系列微控制器（MCU），新一代電動汽車、高級駕駛輔助系統(tǒng)、汽車電子/電氣（E/E）架構以及人工智能（AI）應用被視為四大核心場景。
從產品定義來看，AURIX TC4x系列更偏向上述下一代MCU的第二種類型，并且更強調全新一代整車電子/電氣架構對于功能集成的可靠性、安全高效的實時控制要求。
公開信息顯示，和上一代AURIX TC3x系列相比，TC4x系列采用了新一代TriCore? 1.8 架構，主頻高達500 MHz（上一代為300 MHz），并且支持虛擬化。而TriCore?相比于市面上采用Arm公版IP的MCU，特點就是滿足汽車級高要求的深度優(yōu)化。
公開資料顯示，TriCore? 內核架構自從1999年誕生，先后經歷了4代單核版本的單片機，AURIX? 是基于TriCore? 內核的多核架構單片機。
而TriCore?的核心設計思想，就是將應用處理器（AP）、微控制器（MCU），以及數字信號處理器（DSP）的功能整合在一個單一的處理器架構中。
其中，TriCore? 指令集架構 （ISA） 將微控制器的實時功能、DSP 的計算能力以及RISC加載/存儲架構的高性價比特性結合在一個緊湊的可重復編程的內核中。
這套架構的特點之一，就是性能與能效的平衡。這種混合架構具有更強大的實時處理能力和可靠性，適用于處理汽車電子系統(tǒng)中的復雜任務和嚴格的實時要求。
這也是為什么從2014年推出第1代AURIX? TC2x開始，AURIX?系列一直是汽車動力系統(tǒng)、底盤控制以及駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）市場的「現象級」MCU。
比如，以TC3x 系列為例，提供容量高達16 MB的閃存、集成超過6 MB的RAM和多達6個TriCore? 1.62 內核，每個內核的最快時鐘頻率可達300 MHz。此外，針對數據融合，還提供多達兩個專用信號處理單元（SPU）。
尤其是底盤控制和輔助駕駛等應用，需要滿足ASIL-D標準的域控制和數據融合，TC3x 系列除了本身滿足ASIL-D，還通過帶有非對稱加密加速器和完全EVITA支持的第二代HSM提供更高的安全性支持。
而為了加快下游客戶的開發(fā)，TC4x除了可重復使用現有的TC3x算法和生態(tài)系統(tǒng)，英飛凌的AURIX TC4x生態(tài)圈也已經提前進行布局。比如，MATLAB的支持，將用于自動代碼生成，以快速實現原型創(chuàng)建。
此外，新思科技推出的支持TC4x的虛擬器開發(fā)套件（VDK）可以在設計階段提升軟件的開發(fā)速度。支持AURIX TC4x的新思科技DesignWare? ARC? MetaWare工具包可以為PPU的軟件開發(fā)提供所需的編譯器、調試器、庫以及模擬器。
高工智能汽車研究院監(jiān)測數據顯示，以ADAS為例，從早期的Mobileye前視一體機，到近年來加速上車的智駕域控制器，英飛凌的AURIX?系列幾乎是絕大部分量產方案選型的標配。
從公開數據來看，2023年，英飛凌的汽車級MCU銷售額較上年增長近44%，約占全球市場份額的29%，首次在這一關鍵細分市場問鼎全球第一。
二、虛擬化+網絡安全，MCU的新標配
而隨著中央計算+區(qū)域架構以及艙駕一體域控融合方案的市場啟動，下游客戶也迫切需要更高性能的MCU提供支持。“一些方案商短期內可以采用多顆上一代MCU的方案進行過渡，但成本同樣也是大幅增加。”
事實上，英飛凌全新推出的AURIX TC4x系列，正是瞄準下一階段市場需求變化而生。其中，就包括首次支持的虛擬化功能，允許在單個MCU上并行執(zhí)行多個操作系統(tǒng)和AUTOSAR協(xié)議棧，也就是「一芯多用」的能力。
尤其是，E/E架構正逐步轉向以域和區(qū)域為基礎，這一轉變推動汽車制造商對多個ECU進行整合，同時增加了更多的功能和復雜應用。但，對于MCU也提出了多應用程序的安全分離運行的新需求。
而AURIX TC4x系列的誕生，則意味著英飛凌在業(yè)內首次完成MCU的軟件架構也從單核到多核，再到多核的虛擬化的演進，并且支持單核啟用/禁用虛擬化。這對于HPC+ZCU架構下，過去種類繁多的車控功能模塊的集成和安全獨立運行提供了可能。
此外，得益于AURIX TC4x架構的首次內置RRAM非易失存儲介質（NVM），基礎軟件程序幾乎一直處于待機狀態(tài)，部分ADAS功能、空調、加熱和懸掛等功能在1秒內便可準備就緒。
同時，AURIX? TC4x的MCAL是具備滿足ASIL D安全等級的驅動程序，并且增強對multi-core, virtualization、ASIL partitioning的支持，從而提供更大的靈活性，簡化客戶的軟件分區(qū)和系統(tǒng)級安全論證。
這意味著，對于下游客戶來說，可以實現對MCU硬件資源的最大化利用，資源隔離的特性還可以降低軟件開發(fā)和集成的難度，更好地滿足功能安全和信息安全的要求。
同時，OTA和網絡安全也正在成為車端各種類型處理器的標配模塊。比如，AURIX TC4x系列微控制器完全按照ISO/SAE 21434認證流程開發(fā)，并且支持后量子加密，從而進一步增強對數據和信息的保護能力。
其中，特別要提到的是，內置專用存儲器的網絡安全實時模塊（CSRM）以及CSS（Cyber Security Satellite/網絡安全衛(wèi)星)，后者相比傳統(tǒng)的基于HSM的加密硬件加速實現了巨大的性能提升。
更關鍵的是，CSS提供的加密服務加速器還可以與外部的第三方HSM安全軟件堆棧實現并行執(zhí)行，并且基于虛擬化的配置，可以為不同的應用程序分配單獨的ASIL級別。
典型的應用場景就是整車OTA，要求從云端和車載網絡內快速、安全、可靠地分發(fā)軟件更新。而AURIX? TC4x的安全集群還提供身份驗證和認證加密功能，正變得越來越重要。
三、PPU，為MCU注入AI能力
此外，過去幾年，MCU的能力邊界也在不斷外延。
比如，更多的CPU算力（DMIPS）來進一步提升數據的運算和處理能力。而AURIX? TC4x的最大特點就是增加了AI能力，這得益于全新的并行處理單元（PPU）和可滿足各種AI拓撲要求的SIMD矢量數字信號處理器（DSP）。
而首次新增的并行處理單元（PPU）承擔協(xié)處理器的角色，用于卸載主CPU的信號處理、濾波和其他數學運算，從而為實時控制、傳感器信號處理和軌跡規(guī)劃提供高計算能力和縮短執(zhí)行時間，并且能支持實現簡單的神經網絡算法。
其中，關鍵的向量核是PPU的一個重要功能模塊，專門用于執(zhí)行向量運算。向量核支持多種向量算術運算、邏輯運算和專用信號處理，支持整型數和浮點運算，從而實現更高的計算效率。
在具體的應用場景中，第一種是將時域信號轉變?yōu)轭l域信號，以提取頻率信息的快速傅里葉變換（FFT），尤其是大幅增加點云數據輸出的4D毫米波雷達信號處理。
眾所周知，第一代4D成像雷達大部分采用成本高昂的FPGA來進行點云數據大規(guī)模的并行處理；同時，由于性能高和靈活性強，適用于早期算法優(yōu)化階段。
而現在，基于AURIX? TC4x的PPU單元，就可以實現基于機器學習和神經網絡算法的原始數據和噪聲處理，同時還可以充分利用MCU的實時安全性能來保證感知數據處理的可靠性。
一方面，與傳統(tǒng)CPU相比，PPU在矩陣運算加速、數據處理、基于神經網絡的算法和高速控制實現方面具有優(yōu)勢。另一方面，搭配的矢量DSP架構，可幫助進行復雜的異構系統(tǒng)數學建模。
比如，除了上面提及的4D雷達甚至是激光雷達以及感知數據融合，TC4x的PPU還可以在車載充電器和DC/DC變換器、電機逆變器，或電池管理系統(tǒng)（BMS）上實現AI增強。
此前，Eatron Technologies就通過AURIX? TC4x的PPU單元，實現了基于人工智能的電池診斷，包括鍍鋰檢測、健康狀態(tài)（SoH）、老化軌跡和剩余使用壽命（RUL）預測等預報功能。
而在底盤控制方面，隨著車企對于車輛XYZ方向運動控制的智能化、數字化也提出了新的要求。比如，底盤控制域需要調動轉向、制動、電控減震器，統(tǒng)一協(xié)調，精準避讓障礙物，從而實現穩(wěn)定的操控性，并提供更高的舒適度和更好的安全性。
這就需要適配底盤域的高性能MCU，能夠支持感知數據融合分析能力，需要復雜度更高的控制算法，并基于大量的數據來調整和優(yōu)化模型參數，這些都離不開類似AURIX? TC4x的內嵌PPU單元的能力支持。
而反過來，PPU也為Tricore主核卸載了復雜的信號處理和數學運算，使得執(zhí)行時間更快，而其高可配置性和專用硬件資源使其非常適用于各種應用程序。這意味著，用戶有更多選擇余地，使用不同核，構架實施不同性質的運算。
“MCU的高性能演進，并非僅僅是表面上的算力增加，核心還是綜合性能指標的提升，”在英飛凌相關負責人看來，實際上，對于MCU的“小腦”角色，關鍵在于感知協(xié)調和運動控制的調節(jié)中樞作用。
而在關鍵的功能安全方面，PPU單元是由新思科技DesignWare ARC EV處理器IP提供支持，可基于人工智能實現最高滿足ASIL-D等級的功能安全，這與目前市面上主流SoC的NPU（無法滿足功能安全要求）有著本質的區(qū)別。
這也意味著，不僅僅是大算力的SoC，借助高性能MCU，車企也可以同樣在一些特定場景實現高精度模型和簡單神經網絡AI算法的應用創(chuàng)新。這顯然是對傳統(tǒng)非算力需求型功能域的一次輕量化AI升級，從而實現整車智能的成本最優(yōu)化。
實際上，去年比亞迪董事長王傳福就直言，“對汽車智能的理解，已經不限于智能座艙和智能駕駛，而是智能和電動融合的整車智能。”
