分析

　　恩智浦 S32K 系列器件特別適用于例如車窗/天窗/后擋板控制和空調(diào)控制等車身系統(tǒng)，另外也適用于其他領(lǐng)域，包括電池管理和排放氣體后期處理。該系列將一套汽車級(jí)工具和軟件與一系列基于 ARM Cortex 的可擴(kuò)展 MCU 組合在一起，這些MCU能滿足未來硬件的功能需求。這種組合旨在顯著提高硬件和軟件的重復(fù)使用率，同時(shí)縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。

　　該系列的第一個(gè)成員 S32K144 目前已經(jīng)通過分銷渠道向普通市場銷售，它采用 ARM Cortex-M4F 內(nèi)核，支持浮點(diǎn)單元 (FPU) 和 DSP 指令，提供 512KB 的閃存，具有下一代連接性、安全性和低功耗特性。其他五個(gè)系列成員具有可擴(kuò)展性能、可選大小的閃存(128KB 至 2MB)，部分型號(hào)采用ARM Cotex-M0+ 內(nèi)核，它們將于未來幾個(gè)月內(nèi)陸續(xù)推出，如下面的圖 1 所示。

　　圖1:恩智浦 S32K 框圖(來源：恩智浦)

　　所有系列成員都采用 ISO CAN FD 技術(shù)(在編程模式下速率最高達(dá)到 8Mb/s)，還采用符合 SHE 規(guī)范的 CSEc 硬件安全模塊以實(shí)現(xiàn)安全的 ECU 間通信，并具有 ASIL-B 硬件和軟件特性以及超低功耗性能。在最高 125°C 的環(huán)境溫度下，這些器件的工作電壓為 3V 至 5 V。多樣的選擇，結(jié)合通用封裝策略以及汽車級(jí)軟件——恩智浦的免費(fèi) S32 Design Studio IDE 和全面軟件開發(fā)包 (SDK)，可以最大程度地提高重復(fù)使用率，讓客戶能夠快速響應(yīng)不斷變化的市場要求。

　　車身控制市場發(fā)展

　　車身控制應(yīng)用有時(shí)會(huì)被忽視，因?yàn)閺谋砻鎯r(jià)值看來，其他一些應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展步伐更快，例如高級(jí)輔助駕駛、安全和電氣化動(dòng)力系統(tǒng)。但是，車身功能數(shù)量眾多，需要使用大量的微控制器來操控，這意味著車身應(yīng)用對半導(dǎo)體供應(yīng)商具有非常重要的意義。

　　作為第二大汽車微控制器供應(yīng)商(僅位列 Renesas 之后)，恩智浦在車身領(lǐng)域扮演了重要角色。恩智浦提供廣泛的長期產(chǎn)品組合，包括 8 位 S08、16 位 S12(X) MagniV 和基于 Power Architecture 的 32 位 MCU 系列，這些產(chǎn)品目前仍在量產(chǎn)，恩智浦的 15 年汽車產(chǎn)品持續(xù)供應(yīng)承諾為它們提供了有力保證。新型 S32K 系列將進(jìn)一步擴(kuò)展該產(chǎn)品組合，它是幾個(gè)基于 ARM 的 MCU/MPU 系列中的第一個(gè)系列，帶來全新硬件設(shè)計(jì)選項(xiàng)，還提供恩智浦的汽車級(jí)軟件和工具，以及來自龐大 ARM 生態(tài)系統(tǒng)的第三方工具支持。

　　15 家全球頂級(jí)汽車制造商中已經(jīng)有 10 家在下一代汽車中使用 S32K，因而 S32K MCU 系列必將成為車身 ECU 發(fā)展的未來方向。隨著 S32K 系列開始通過分銷渠道銷售，它在普通市場上的采用率也將進(jìn)一步提高，包括汽車二級(jí)和三級(jí)供應(yīng)商。

　　多家汽車供應(yīng)商已經(jīng)在設(shè)計(jì)中采納了 S32K。該產(chǎn)品系列面向普通市場推出后，將被更廣泛的客戶群體采用。恩智浦現(xiàn)在向廣泛的客戶群體提供基于 ARM 的可擴(kuò)展汽車級(jí)車身 MCU 產(chǎn)品組合。恩智浦宣稱，該系列提供的廣泛生態(tài)系統(tǒng)能夠簡化工作，縮短產(chǎn)品上市時(shí)間并降低開發(fā)成本。

　　Renesas 也是車身控制領(lǐng)域的重要供應(yīng)商，提供 RL78 和 V850 等系列的器件。但在這個(gè)領(lǐng)域，還有多家其他供應(yīng)商，其中一些(如 Microchip 和 Cypress 等)專門面向相對低價(jià)值的應(yīng)用提供高度成本優(yōu)化器件。

　　Strategy Analytics 數(shù)據(jù)顯示，2016 年，安裝在輕型汽車上的一半以上微控制器都用于車身應(yīng)用，安裝量超過了 13 億個(gè)(圖 2)。

　　圖 2:各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域的汽車 MCU 數(shù)量(百萬單位)來源：Strategy Analytics

　　這算下來平均每輛汽車安裝了將近 15 個(gè)車身 MCU。顯而易見，進(jìn)軍這個(gè)規(guī)模龐大的汽車市場領(lǐng)域?qū)τ?ARM 非常有利，因?yàn)槭褂闷?IP 的每個(gè)器件都要支付ARM少量版稅。

　　• 雖然車身應(yīng)用的發(fā)展勢頭不如動(dòng)力系統(tǒng)和安全應(yīng)用那樣強(qiáng)勁，但就規(guī)?？磥?，仍然是非常重要的，到 2023 年，車身應(yīng)用仍將在總體 MCU 數(shù)量中占據(jù) 49% 的比例，預(yù)計(jì)將使用大約 18 億個(gè) MCU。

　　表面看來與其他很多汽車應(yīng)用領(lǐng)域相比，車身應(yīng)用的處理性能要求通常要低得多，而且對成本高度敏感，因此從價(jià)值的角度來看，車身控制器件市場貌似不占支配地位。

　　但是，根據(jù) Strategy Analytics 的計(jì)算，截至 2016 年，安裝在輕型車輛上的 MCU 的總價(jià)值達(dá)到近 18 億美元。這就再一次使得車身應(yīng)用成為最大的應(yīng)用領(lǐng)域，在整體汽車 MCU 需求中，它的價(jià)值將占據(jù)大約 30% 的比例。到 2023 年，車身控制應(yīng)用對 MCU 的需求有望超過 19 億美元(圖 3)。

　　圖 3: 各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域的汽車 MCU 收入(十億美元)來源：Strategy Analytics

　　車身應(yīng)用的變化動(dòng)態(tài)

　　雖然車身控制應(yīng)用受關(guān)注程度通常較低，但該市場并非一成不變，也在潛移默化地發(fā)生改變。

　　盡管整體需求呈持續(xù)增長態(tài)勢，Strategy Analytics 仍然預(yù)測，就收入而言，車身控制應(yīng)用對低端 8 位和 16 位 MCU 的需求將會(huì)增長乏力甚至下滑。所有增長的驅(qū)動(dòng)力都源自使用性能更強(qiáng)大的 32 位器件，恩智浦正是向這個(gè)市場發(fā)布了基于 ARM 的 S32K。

　　32 位微控制器在整體車身控制 MCU 需求中占據(jù)的比例有望從 2016 年的大約 38% 增長到 2023 年的 45% 以上(圖 4)。隨著 S32K 的應(yīng)用日益廣泛，這種趨勢有進(jìn)一步加速發(fā)展的潛能，也讓 Strategy Analytics 相信，32 位設(shè)計(jì)在車身控制應(yīng)用領(lǐng)域具有上升潛力。

　　圖 4 各種類型的車身 MCU 需求(十億美元)來源：Strategy Analytics

　　Strategy Analytics 認(rèn)為，車身控制應(yīng)用領(lǐng)域形成了以下幾種重要市場力量：

　　●對消費(fèi)者功能的需求持續(xù)增加。

　　在新興市場和低端車輛上，車窗升降和 HVAC 等功能仍將呈現(xiàn)增加趨勢。而在更加成熟的市場上，越多越多的汽車將會(huì)推出電動(dòng)座椅、電動(dòng)折疊后視鏡、電動(dòng)升降和后擋板等功能。

　　– 這就意味著車輛上需要安裝更多的物理 ECU，而用于控制這些應(yīng)用的 MCU 的數(shù)量也會(huì)相應(yīng)增加。雖然人們經(jīng)常談及汽車架構(gòu)變革、整合和集成，但它尚未在市場上產(chǎn)生任何重大影響。對于構(gòu)成需求主體的批量大眾市場汽車，Strategy Analytics 認(rèn)為，汽車架構(gòu)變革至少要在 2020 年之后才會(huì)開始產(chǎn)生影響。當(dāng)這一天到來時(shí)，ECU 整合的重點(diǎn)將很可能是價(jià)值更高的動(dòng)力系統(tǒng)、安全/自動(dòng)化和信息娛樂系統(tǒng)/儀表盤應(yīng)用領(lǐng)域。

　　– 即便對于那些在汽車架構(gòu)變革方面處于前沿地位的 OEM(例如 BMW)，相對價(jià)值較低的車身電子系統(tǒng)也很可能是最后實(shí)現(xiàn)顯著集中化的領(lǐng)域。未來數(shù)年內(nèi)，我們很可能看到眾多車身功能使用獨(dú)立模塊，而將它們遷移到經(jīng)濟(jì)高效的 32 位設(shè)計(jì)的理由越來越充分。

　　●車身應(yīng)用要求不斷提高。

　　由于 32 位器件預(yù)計(jì)將在車身應(yīng)用領(lǐng)域呈顯著增長，出現(xiàn)了對更高性能器件的新興需求。

　　– 經(jīng)過數(shù)年的相對穩(wěn)定之后，汽車網(wǎng)絡(luò)正在發(fā)生變化。隨著電動(dòng)致動(dòng)器(包括 BLDC 電機(jī))使用率增加，需要更高級(jí)別的分布式處理和智能，用于傳感、控制和診斷用途。

　　– 從短期來看，CAN-FD 的專業(yè)度將顯著提高，甚至在車身應(yīng)用領(lǐng)域也是如此。由于需要在汽車中傳輸?shù)膫鞲衅鲾?shù)據(jù)日益增加，帶寬和處理能力需要隨之提高，才能處理和管理這些數(shù)據(jù)。從長期來看，以太網(wǎng)的使用將愈加廣泛，車身控制模塊和網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)需要強(qiáng)大的處理能力，才能管理更高的數(shù)據(jù)速率。

　　●安全要求不斷提高。

　　汽車行業(yè)曾經(jīng)由于忽視了網(wǎng)絡(luò)安全和黑客攻擊問題而遭受嚴(yán)厲批評。這一控訴可能更多指向汽車制造商和一級(jí)供應(yīng)商，因?yàn)榘雽?dǎo)體供應(yīng)商多年來一直在提供硬件安全模塊，但經(jīng)常未得到充分利用。

　　– 雖然安全問題通常集中在遠(yuǎn)程信息處理和信息娛樂系統(tǒng)上，但核心車身系統(tǒng)(例如安保和門禁控制系統(tǒng))也出現(xiàn)了一些漏洞。一般來說，要提高解決方案的安全性，就需要更高的處理能力和更大的存儲(chǔ)容量。

　　– 分層安全架構(gòu)的重要性變得愈加明顯。僅保護(hù)接入點(diǎn)安全、指望沒有人可以攻破通常是不夠的。將安全功能內(nèi)置到更多模塊中有助于中止網(wǎng)絡(luò)傳播，即便某個(gè)點(diǎn)被攻破也無妨。

　　●市場對功能安全設(shè)計(jì)支持的期望值更高，因?yàn)檐嚿砜刂葡到y(tǒng)本身現(xiàn)在已經(jīng)成為汽車安全系統(tǒng)的一部分。

　　– OEM 越來越期望在即將發(fā)生撞車的情況下，可以基于車輛傳感器的輸入來優(yōu)化座椅位置并關(guān)閉車窗和車頂系統(tǒng)。這意味著這些系統(tǒng)的 ASIL 等級(jí)可能需要提升，對網(wǎng)絡(luò)安全的要求也更嚴(yán)格，因?yàn)樗鼈儸F(xiàn)在已經(jīng)成為汽車安全解決方案的一部分。

　　● 低功耗仍然至關(guān)重要，盡管性能提高是大勢所趨。

　　對于車身系統(tǒng)更是如此，以門禁系統(tǒng)為例，它們經(jīng)常需要“喚醒”，無法輕松進(jìn)入長期深度睡眠或斷電狀態(tài)，以便節(jié)省電能。ARM 解決方案提供的功耗/性能比通常遠(yuǎn)優(yōu)于當(dāng)今眾多供應(yīng)商提供的專有架構(gòu)。這些內(nèi)核在開發(fā)時(shí)就充分考慮了移動(dòng)應(yīng)用，功耗無疑是更為重要的考量因素。

　　– 車身應(yīng)用數(shù)量眾多，即便單個(gè)應(yīng)用不會(huì)產(chǎn)生很大功耗，加在一起的總功耗還是相當(dāng)高的。

　　– 駕駛員停車之后，安保和門禁系統(tǒng)等功能仍然需要保持工作狀態(tài)。這些器件必須應(yīng)對一個(gè)頻繁喚醒、快速啟動(dòng)、高性能任務(wù)執(zhí)行和快速關(guān)閉的周期，并在整個(gè)過程中保持最低的功耗。它們還必須具有較低的靜態(tài)模式漏電，并提供多種低功耗運(yùn)行模式，以防長時(shí)間停車的情況。

　　– TPMS 系統(tǒng)還可能遇到頻繁的喚醒，不僅來自車輛本身上的輪胎，還可能來自附近車輛的輪胎。在多層的停車樓中，這種現(xiàn)象可能非常明顯，前后左右以及樓上樓下的汽車都可能觸發(fā)喚醒。

　　● AUTOSAR架構(gòu)需要基于平臺(tái)的規(guī)范。

　　OEM 和供應(yīng)商越來越希望在各個(gè)汽車系列中重復(fù)使用代碼和應(yīng)用程序，從而遷移到更加抽象的軟件開發(fā)，例如AUTOSAR架構(gòu)。這通常會(huì)對主機(jī) MCU 提出更高的要求。OEM 和一級(jí)供應(yīng)商還需要不同性價(jià)比的廣泛產(chǎn)品系列，以便他們能夠適當(dāng)?shù)財(cái)U(kuò)展解決方案。

　　● 需要強(qiáng)大的生態(tài)系統(tǒng)支持。

　　借助 Kinetis 系列，恩智浦為其工業(yè)客戶提供基于 ARM 的解決方案已經(jīng)有一段時(shí)間。ARM 生態(tài)系統(tǒng)非常龐大，有眾多供應(yīng)商提供各種必需工具包，幫助客戶及時(shí)將產(chǎn)品推向市場。

　　– 汽車領(lǐng)域現(xiàn)在吸引了行業(yè)之外的供應(yīng)商的高度關(guān)注。有了汽車級(jí)工具包支持，微控制器產(chǎn)品更容易進(jìn)入汽車市場。

　　– 與動(dòng)力系統(tǒng)或安全模塊相比，車身電子模塊的供應(yīng)商群體更加分散，公司規(guī)模大小不一。小型公司通常要通過半導(dǎo)體分銷商獲取支持，而且高度依賴于免費(fèi)提供的設(shè)計(jì)支持工具套件。

　　– 在一級(jí)供應(yīng)商的產(chǎn)品選擇決策中，產(chǎn)品上市時(shí)間是一個(gè)重要考慮因素。強(qiáng)大的生態(tài)系統(tǒng)支持可能縮短設(shè)計(jì)周期時(shí)間。

　　影響

　　雖然基于專有架構(gòu)的 MCU 在多個(gè)汽車系統(tǒng)中仍然占據(jù)了主導(dǎo)地位，但根據(jù) Strategy Analytics 預(yù)測，采用基于 ARM 的 MCU 將成為一種穩(wěn)定趨勢，包括在傳統(tǒng)和新興應(yīng)用領(lǐng)域，例如高級(jí)安全和信息娛樂應(yīng)用。ARM 也開始涉足動(dòng)力系統(tǒng)解決方案領(lǐng)域，正如 Strategy Analytics 在其 Insight 報(bào)告“ARM 推出新型 Cortex R52 內(nèi)核以滿足 10 億美元的動(dòng)力系統(tǒng)處理器市場需求”中所述。

　　ARM 和恩智浦的最新舉措加快了這種趨勢。在當(dāng)今的中端汽車中，采用多達(dá) 50 個(gè) ECU 非常普遍，它們針對不同汽車型號(hào)和功能選項(xiàng)而設(shè)計(jì)，需要可擴(kuò)展的 MCU 平臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)硬件和軟件的快速功能擴(kuò)展或優(yōu)化。車身 MCU 現(xiàn)在承擔(dān)的任務(wù)還包括解讀復(fù)雜的傳感器算法、管理高帶寬通信外設(shè)和實(shí)施高級(jí)安全功能，且執(zhí)行所有這些任務(wù)時(shí)都要保持最低功耗。不斷發(fā)展的軟件要求(例如 AUTOSAR)和傳統(tǒng)解決方案的附加性能余量開始到達(dá)它們的極限。面對這些情況，基于現(xiàn)成 ARM 的 MCU 成為顯而易見的解決方案。某些情況下，要將現(xiàn)有的專有架構(gòu)提升到具有競爭力的性能水平，其所需的投資是不容小覷的，因此 Strategy Analytics 預(yù)測將有更多半導(dǎo)體供應(yīng)商步恩智浦的后塵，開發(fā)基于 ARM 的車身控制解決方案。

　　汽車市場的變革步伐過去一直比較緩慢，因此，恩智浦的 S08、S12(X) 和 32 位 Power Architecture MCU 將在未來多年內(nèi)保持量產(chǎn)。但是，隨著市場從機(jī)動(dòng)車輛向移動(dòng)平臺(tái)遷移，汽車制造商現(xiàn)在競相順應(yīng)系統(tǒng)飛速發(fā)展進(jìn)行變革。即便是相對靜態(tài)的車身應(yīng)用，例如泵、車門、座椅、空調(diào)控制和車燈，也在進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，以便將安全性、效率和消費(fèi)者體驗(yàn)提升到全新層次。新型 S32K1 MCU 系列率先投入設(shè)計(jì)，其價(jià)位在 2 美元至 5 美元之間(*小批量建議零售價(jià))，非常適合滿足這種演進(jìn)需求。低端產(chǎn)品方面輔以恩智浦的 KEA MCU 系列，該系列基于 ARM Cotex-M0+，當(dāng)前正在量產(chǎn)中。KEA 系列成員提供 8 至 128KB 的閃存，是恩智浦基于ARM Cortex技術(shù)的通用 MCU 汽車產(chǎn)品組合的入門級(jí)型號(hào)。隨著車身系統(tǒng)要求的提高，基于 ARM 的解決方案對于車身領(lǐng)域中越來越多的應(yīng)用將具有更大吸引力。