【導讀】目前，市場上主流的處理器架構(gòu)主要有三種，分別是Intel和AMD領(lǐng)銜的x86架構(gòu)、應用廣泛的Arm架構(gòu)以及近幾年風聲水起的RISC-V架構(gòu)。作為一家芯片公司，Arm不生產(chǎn)芯片，但全球卻有數(shù)十億設(shè)備運行在基于Arm內(nèi)核的芯片上，Arm的芯片技術(shù)幾乎覆蓋了包括智能手機、汽車以及物聯(lián)網(wǎng)等眾多行業(yè)應用。根據(jù)Arm的預測，從2021年開始到下一個十年，基于Arm架構(gòu)的處理器出貨量將達到3,000億只。
與基于Intel或AMD的x86架構(gòu)不同，Arm處理器不是中央處理器（CPU），而是片上系統(tǒng)（SoC），根據(jù)其系統(tǒng)的設(shè)計，它可以是設(shè)備控制器、微控制器（MCU）或系統(tǒng)中其他附屬組件的核心。自ARMv7架構(gòu)開始，Arm處理器主要分成Cortex-A、Cortex-R、Cortex-M三個系列。這三大系列的分工也十分明確，即：Cortex-A系列面向尖端的基于虛擬內(nèi)存的操作系統(tǒng)和用戶應用；Cortex-R系列則針對實時系統(tǒng)；Cortex-M系列主要對應微控制器。
● Cortex-A在市場上常常被看作是Arm家族的主力軍。正如最初設(shè)想的那樣，Cortex-A如今已經(jīng)成為智能手機以及單板計算機這兩大新興設(shè)備的核心。
● Cortex-R是一類使用范圍比較窄的處理器，主要面向需要實時處理的微控制器應用，一個很好的例子就是4G LTE和5G調(diào)制解調(diào)器?，F(xiàn)在，Cortex-R正在被用作固態(tài)閃存的大容量存儲控制器。
● Cortex-M擁有更小型化的“外形”，因此非常適合對尺寸敏感的應用，例如汽車控制和制動系統(tǒng)，以及具有圖像識別功能的高清數(shù)碼相機。Cortex-M還可以作為數(shù)字信號處理器（DSP），用于響應和管理聲音合成、語音識別和雷達等應用中的模擬信號。
微控制器市場
企穩(wěn)回升
2019年，受全球經(jīng)濟疲軟的打擊，在汽車、工業(yè)和商業(yè)設(shè)備、家用電器、消費電子產(chǎn)品和許多其他嵌入式系統(tǒng)應用中，微控制器（MCU）市場出現(xiàn)一定下滑。市場研究人員估計，2019年微控制器市場從2018年創(chuàng)紀錄的176億美元下降7%，2020年下降約8%至149億美元。不過，在經(jīng)歷連續(xù)兩年的下跌后，MCU市場于2021開始上漲。
圖1：MCU市場預測，包括市場價值、出貨量以及平均售價（ASP）
（圖源：IC Insights）
IC Insights預測，2021MCU市場將增長5%回升至157億美元，接下來的2022年預計增長8%，2023年的增幅更是達到11%，屆時MCU收入將達到創(chuàng)紀錄的188億美元。其中，汽車MCU的增長將超過大多數(shù)其他終端市場。
市場研究和戰(zhàn)略咨詢公司Yole DéDevelopment（Yole）的分析稱，MCU的價格將在未來幾年內(nèi)保持較高水平。來自Yole公司2021年4季度MCU市場監(jiān)測數(shù)據(jù)，2021年的MCU價格漲幅超過了很多人的預期，盡管其中因供應鏈問題導致無法滿足多個市場的需求，但在年底MCU市場的收入仍出現(xiàn)強勁反彈——這主要歸功于平均售價的上漲。Yole甚至認為，這種人為抬高的MCU價格在2026年之前不太可能出現(xiàn)大幅下降。
圖2：MCU市場分布情況
（圖源：Yole）
汽車微控制器市場
依然缺貨，銷售額飆升
十幾年的應用實踐表明，智能手機、汽車、工業(yè)以及物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為MCU應用的主戰(zhàn)場。隨著車輛向著電動化、網(wǎng)聯(lián)化、智能化方向發(fā)展，汽車MCU的銷量逐年走高。在過去十年中，汽車MCU占到了MCU總銷售額的40%左右。根據(jù)IC Insights的《2021 McClean報告》，盡管微控制器持續(xù)短缺，汽車制造商在2021年不得不暫時關(guān)閉部分裝配線，但汽車MCU的銷售額在2021年仍飆升23%，達到創(chuàng)紀錄的76億美元，預計在2022年和2023年將分別強勁增長14%和16%。
從產(chǎn)品分布看，在2021年，超過四分之三的汽車MCU銷售來自32位MCU，預計達到58.3億美元左右；6位MCU的收入約為13.4億美元；8位MCU的收入約為4.41億美元（如圖3）。因32位MCU擁有更高的平均售價，故對2021年的銷售額貢獻很大。IC Insights的預測顯示，所有32位MCU的平均售價在2015年至2020年期間是以-4.4%的復合年增長率（CAGR）逐年下降的，但在2021年上漲了約13%，達到0.72美元左右。
圖3：汽車MCU市場增長情況以及2021年32位、16位、8位MCU的市場分布（圖源：IC Insights）
從應用角度看，2021年，汽車信息娛樂（用于檢索數(shù)字地圖、識別位置并從互聯(lián)網(wǎng)和衛(wèi)星傳輸訪問數(shù)據(jù)的娛樂和信息系統(tǒng)）占到了汽車MCU總銷售額的10%（約7.8億美元），其余的90%主要來自于汽車的發(fā)動機控制、動力傳動系統(tǒng)、制動器、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、電動車窗、電池管理等，這些MCU的收入達到68億美元。根據(jù)IC Insights的數(shù)據(jù)，2021年汽車信息娛樂市場MCU的銷售額比2020年增長了59%，其他汽車MCU的收入增幅為20%。
值得關(guān)注的新一代汽車MCU
復雜的新一代汽車架構(gòu)離不開性能強大的汽車MCU的支持。全球微控制器市場的主要參與者包括NXP、STMicroelectronics、Microchip、Renesas、Infineon（英飛凌）、TI（德州儀器）等。其中，前五大MCU提供商的市占份額超過了50%。這些企業(yè)同樣也是汽車MCU的主要參與者，他們積極參與合作伙伴的產(chǎn)品研發(fā)，并不斷推出新的汽車MCU產(chǎn)品。
01 ST：車規(guī)級MCU全面上新
ST為汽車應用提供廣泛的微控制器產(chǎn)品組合，最近發(fā)布的Stellar系列是其最新的高性能32位汽車MCU。該系列基于多核ARM R52，帶創(chuàng)新型嵌入式相變存儲器（ePCM）并內(nèi)置28nm FD-SOI技術(shù)。Stellar集成式MCU為新一代的車輛架構(gòu)提供安全、可靠且確定的解決方案。其中，Stellar P系列專為滿足下一代傳動系統(tǒng)、電氣化解決方案和域?qū)蛳到y(tǒng)的集成需求而設(shè)計，可實現(xiàn)更高水平的實時性能、安全性和確定性。Stellar G系列專為應對下一代車身集成和區(qū)域?qū)蜍囕v架構(gòu)的關(guān)鍵挑戰(zhàn)而設(shè)計，可保證性能、安全性和功率效率以及更廣泛的連接和更高的安全性。
已經(jīng)批量供貨的產(chǎn)品Stellar P MCU（SR6P7C3和SR6P7C7）和Stellar G集成式MCU（SR6G7C3和SR6G7C5）均具有六個Arm? Cortex?-R52內(nèi)核，一些內(nèi)核在鎖步模式下運行，而另一些內(nèi)核則在分核模式下運行，在安全水平和處理能力方面可滿足不同應用需求。
Stellar E車規(guī)級MCU是Stellar系列的最新產(chǎn)品，它針對電動汽車（EV）和汽車集中式（區(qū)/域）電氣架構(gòu)優(yōu)化了性能，可確保功率轉(zhuǎn)換和電動傳動系統(tǒng)應用的高效驅(qū)動，有助于降低電動汽車成本，延長續(xù)航里程，加快充電速度。Stellar E實現(xiàn)了在同一顆芯片上執(zhí)行高速控制回路處理和通用控制運算，利用片上集成的高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、高精度脈寬調(diào)制（PWM）控制器和快速動作保護電路等特性，只用一個MCU就能控制整個功率模塊，簡化功率模塊設(shè)計，精簡了物料清單。Stellar E系列MCU是面向數(shù)字化控制功能增強的理想SiC/GaN配套芯片。
當前，向軟件定義車輛（SDV）轉(zhuǎn)型正在成為汽車行業(yè)的發(fā)展趨勢。Stellar E還是一款專為下一代軟件定義電動汽車設(shè)計開發(fā)的MCU產(chǎn)品，支持先進的汽車功能性安全標準ISO 26262 ASIL-D、硬件安全模塊（HSM）和行業(yè)標準軟件互操作性，提供高效的OTA更新和升級。據(jù)ST的公開信息，Stellar E系列的首款產(chǎn)品Stellar SR5E1主要針對電動汽車車載充電器（OBC）和通用DC/DC轉(zhuǎn)換器的優(yōu)化而設(shè)計，計劃2023年開始量產(chǎn)。
圖4：Stellar集成式32位MCU系列為新一代的車輛架構(gòu)提供安全可靠的解決方案（圖源：ST）
02 NXP：S32K3 MCU提供系統(tǒng)級功能安全方案
汽車功能安全歷來專注于制動、底盤和動力總成控制等車輛動力學系統(tǒng)，現(xiàn)在已擴展至從車身控制模塊和電池管理系統(tǒng)（BMS）到區(qū)域和電機控制ECU等整個車輛應用范圍。這一點的核心是MCU作為主要安全和應用處理器或安全配套IC的作用。
S32K MCU系列是NXP S32汽車電子平臺中的新產(chǎn)品，有助于降低汽車軟件成本和復雜性，打造更智能、功能安全性和信息安全性更高的車輛，適用于車身、區(qū)域控制和電氣化等應用。S32K3系列包括基于Arm Cortex-M7的可擴展32位MCU，支持ASIL B/D安全應用的單核、雙核和鎖步內(nèi)核配置。同時具有帶NXP固件的硬件安全引擎（HSE），支持無線固件更新（FOTA），并為AUTOSAR和非AUTOSAR應用免費提供符合ISO 26262的實時驅(qū)動（RTD）。
在硬件安全層面，S32K3 MCU以ASIL D級以下的應用為目標，構(gòu)建在一個安全的體系結(jié)構(gòu)之上，該體系結(jié)構(gòu)涵蓋電源、時鐘、復位、中央處理器（CPU）、互連、內(nèi)存（包括內(nèi)部閃存和RAM）以及多個外圍模塊。其中的大多數(shù)模塊都在片上硬件中實現(xiàn)，有助于降低系統(tǒng)集成商的BoM成本。
在軟件安全層面，S32K3 MCU由一套生產(chǎn)級、符合安全標準的軟件支持，應用程序開發(fā)比較簡單。在系統(tǒng)安全層面，S32K3 MCU可與NXP的FS26xx系統(tǒng)基礎(chǔ)芯片（SBC）一起使用，以提供系統(tǒng)級安全解決方案。其中，F(xiàn)S26xx為具有自我監(jiān)控功能的MCU提供穩(wěn)定的輸入電源，對基本MCU計算功能進行外部看門狗監(jiān)控，監(jiān)控MCU的復位輸入/輸出，并監(jiān)控其故障采集和控制單元（FCCU）錯誤指示輸出。如果SBC檢測到MCU中存在任何不可恢復的故障，則會觸發(fā)系統(tǒng)進入安全狀態(tài)。
圖5：S32K3 MCU提供的系統(tǒng)安全解決方案包括芯片的關(guān)鍵硬件和軟件安全機制，以及連接到外部SBC時的輸入和輸出連接（圖源：NXP）
03 Infineon：Traveo?? II 32位汽車MCU瞄準下一代車身電子應用
自2020年收購了Cypress后，Infineon的車身控制方案更加完備。Cypress Traveo?? II系列是專為汽車車身電子應用而設(shè)計的新一代32位MCU，在單核Arm Cortex-M4F和雙核Cortex-M7F中，Traveo II系列內(nèi)置了處理能力和網(wǎng)絡(luò)連接，其性能從Traveo系列的400 DMIPS提高到Traveo II系列的1500 DMIPS。
此外，Traveo II系列還集成了HSM（硬件安全模塊）、用于安全處理的專用Cortex-M0+，以及滿足FOTA要求的雙存儲體模式嵌入式閃存，具有高級安全功能。Traveo II系列MCU配備了優(yōu)化的軟件平臺，可用于Cypress AUTOSAR MCAL（微控制器抽象層）、自檢庫、閃存EEPROM仿真以及安全低級驅(qū)動程序，并結(jié)合第三方固件使用。
Traveo II系列還具有先進的安全特性，包括用于存儲器的ECC、電源電壓和時鐘監(jiān)視器、看門狗以及自檢庫。Traveo II系列支持六種功率模式。有源、睡眠、低功耗有源、低功耗睡眠、深度睡眠和休眠模式（5μA典型值）。這些微控制器還支持從深度睡眠進行循環(huán)喚醒，以優(yōu)化功耗。
Traveo II系列包含多個產(chǎn)品系列，既有入門級型號CYT2B6、CYT2B7、CYT2B9和CYT2BL，也有高性能的CYT3BB/4BB和CYT4BF等產(chǎn)品。
圖6：Traveo II系列包含多個產(chǎn)品系列供用戶選擇
（圖源：Infineon）
04 TI：TDA4VM Jacinto處理器非常適用ADAS和自動駕駛汽車
Jacinto處理器平臺是久負盛名的一款汽車用產(chǎn)品，它基于TI數(shù)十年的汽車系統(tǒng)和功能安全知識，具有強化的深度學習功能和先進的網(wǎng)絡(luò)處理能力，以解決高級駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）和汽車網(wǎng)關(guān)應用中的設(shè)計挑戰(zhàn)。該平臺系列中有兩款極具特色且主要面向下一代汽車架構(gòu)應用的汽車級芯片：應用于ADAS的TDA4VM處理器、應用于網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的DRA829V處理器，二者均擁有出色的功耗/性能。
Jacinto7 TDA4VM處理器集成雙核64位Arm Cortex-A72微處理器，性能高達2.0GHz、22K DMIPS，具有強大的片上數(shù)據(jù)分析的能力，非常適合ADAS和自動駕駛車輛（AV）應用。TDA4VM具有很高的系統(tǒng)集成度，關(guān)鍵內(nèi)核包括具有標量和矢量內(nèi)核的下一代DSP、專用深度學習和傳統(tǒng)算法加速器、用于通用計算的最新Arm和GPU處理器、集成式下一代成像子系統(tǒng)（ISP）、視頻編解碼器、以太網(wǎng)集線器以及隔離式MCU島。
圖7：Jacinto7 TDA4VM處理器內(nèi)部結(jié)構(gòu)
（圖源：TI）
TDA4VM處理器主要適合以下應用：高級環(huán)視和泊車輔助系統(tǒng)、自主傳感器融合/感知系統(tǒng)（包括攝像頭、雷達和激光雷達傳感器）、單傳感器和多傳感器前置攝像頭系統(tǒng)、下一代電子后視鏡系統(tǒng)。
具有極高系統(tǒng)集成度的Jacinto7 DRA829處理器基于Arm v8 64架構(gòu)，僅處理器內(nèi)核中，就內(nèi)置了性能高達2.0GHz的雙核64位Arm Cortex-A72微處理器子系統(tǒng)、六個Arm Cortex-R5F MCU、深度學習矩陣乘法加速器（MMA）、C7x浮點矢量DSP、兩個C66x浮點DSP、3D GPU PowerVR Rogue 8XE GE8430。集成式診斷和功能安全特性滿足ASIL-B/C或SIL-2認證/要求。
此外，DRA829還具有千兆位以太網(wǎng)交換機和PCIe集線器，可支持需要大量數(shù)據(jù)帶寬的網(wǎng)絡(luò)使用情況。最多四個Arm Cortex-R5F子系統(tǒng)可管理時序關(guān)鍵型處理任務(wù)，并且可使Arm Cortex-A72不受應用的影響。對Arm Cortex-A72的雙核集群配置有助于實現(xiàn)多操作系統(tǒng)應用，而且對軟件管理程序的需求非常低。
結(jié)語
2021年3月，Arm推出了全新的Armv9架構(gòu)。基于Armv9架構(gòu)，Arm同時推出了三種新的CPU和GPU設(shè)計，包括旗艦Cortex-X2和Cortex-A710 CPU以及Mali-G710 GPU。這三個新的CPU和GPU設(shè)計不僅僅是Arm最新的芯片藍圖，也是該公司十年來首次采用新的Armv9架構(gòu)的設(shè)計，意味著未來的芯片性能將會有大幅提升，同時還增加了新的安全性和人工智能功能。
聯(lián)發(fā)科技（MTK）的八核Dimensity 9000是業(yè)界首款基于新型ARMv9架構(gòu)的芯片，采用TSMC的4nm工藝，預計將搭載在2022年推出的旗艦智能手機上。隨著汽車智能化的發(fā)展，汽車系統(tǒng)中將大量使用傳感器、攝像頭、雷達等，數(shù)據(jù)處理需求也隨之增加，因此需要性能更強的芯片來提供更多的計算和控制功能，同時這些芯片還要符合較高的汽車安全完整性等級（ASIL）。
從以上介紹的汽車MCU中，我們可以看出，基于Arm v8架構(gòu)的產(chǎn)品已獲批量使用。不同于消費類電子，汽車芯片的設(shè)計及應用必須經(jīng)過嚴苛的設(shè)計及安全等級驗證。目前，暫未看到有企業(yè)公布基于Armv9架構(gòu)的汽車MCU計劃，希望明年能夠有滿足下一代汽車設(shè)計需求的全新汽車MCU問世。
來源：貿(mào)澤電子
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