01  車汽車芯片是軟件定義汽車的基礎(chǔ)

軟件正在迅速重塑汽車行業(yè)：近年來，業(yè)內(nèi)的四股顛覆浪潮——自動駕駛化、網(wǎng)聯(lián)化、電動化、共享化——全都重度依賴軟件。全行業(yè)的整車廠（OEM）、供應(yīng)商和初創(chuàng)公司無不希望自己能在這條由軟件驅(qū)動的新價值鏈上把握住主動權(quán)。



因整車功能越來越復(fù)雜，軟件定義汽車的時代，汽車的軟件代碼量和復(fù)雜度都在快速增長。高端汽車中的代碼量其實遠多于PC和智能手機操作系統(tǒng)，據(jù)某機構(gòu)統(tǒng)計，常見智能手機操作系統(tǒng)安卓的代碼量為13萬行，PC操作系統(tǒng)Windows Vista為5000萬行，而一輛高端汽車的代碼量可達一億行。另外NXP官網(wǎng)預(yù)測，2015-2025年汽車中代碼量有望呈指數(shù)級增長，其年均復(fù)合增速約為21%。



俗話說得好：好馬配好鞍，雖然我們整車功能越來越豐富，軟件也越來越復(fù)雜，但如何保證軟件安全高效可靠的運行呢？毫無疑問必須依靠越來越強大的硬件，而硬件的核心就是汽車芯片。

在2021年，從事汽車行業(yè)的老鐵們，不管是在Tier1還是主機廠，都明顯感受到了汽車芯片短缺所帶來的壓力。當(dāng)前全球汽車大“缺芯”，已經(jīng)成為了汽車行業(yè)的現(xiàn)狀，同時受疫情的影響，全球消費者對移動電子設(shè)備的芯片需求更甚，這也導(dǎo)致了汽車行業(yè)“缺芯”的加劇。隨著芯片短缺和其對于智能汽車的重要性，芯片越來越成為車企的競爭籌碼。

此次全球汽車廠商，被“芯片”卡了脖子，各大車企也都更開始注重芯片供應(yīng)安全的問題，由于芯片短缺狀況持續(xù)，包括寶馬、戴姆勒、本田等主要車企都相繼宣布最新停工計劃。

為此，各大車企也都有意通過直接或者間接的與芯片廠商合作，共同開發(fā)研發(fā)車用芯片。不過在此之前，多數(shù)車企還不得不忍受“缺芯”直通。戴姆勒透露，因芯片短缺，其第二季度產(chǎn)量將下滑。預(yù)計全球芯片短缺局面到今年夏季可能緩解，但可能要到2022年才能完全解決。

02  汽車芯片相關(guān)介紹

很長一段時間以來，汽車電子的發(fā)展相比IT行業(yè)要慢很多節(jié)拍，智能設(shè)備在過去的幾年改變了我們的生活方式，相比之下汽車電子則顯得不那么與時俱進而脫離于日常的數(shù)字生活。消費電子與汽車電子有兩個很重要的區(qū)別：汽車電子在安全性和可靠性方面的嚴(yán)苛要求是消費電子要求無法比擬的，畢竟汽車電子是關(guān)系人身安全的大事，任何的疏忽都會造成嚴(yán)重的質(zhì)量問題和乘客的生命財產(chǎn)安全，因此汽車電子不能像IT行業(yè)那樣整天追求日新月異的新玩法而應(yīng)將安全和可靠的目標(biāo)放在首位在過去的很多年，整車功能并沒有當(dāng)前那么復(fù)雜，在滿足功能、安全和可靠性的前提下， 8位、16位和32位的單核處理器即可滿足。

但最近這些年，汽車新四化的腳步已勢不可擋，也給汽車電子帶來了深刻的變革，整車功能需求的增加和IT技術(shù)的滲透結(jié)合已使單核有限算力的處理器無法滿足當(dāng)前和未來的要求，汽車行業(yè)越來越需要性能更強的芯片來支撐。

芯片是半導(dǎo)體元件產(chǎn)品的統(tǒng)稱，又稱集成電路（IC, Integrated Circuit）。汽車芯片主要分為三大類：功能芯片（MCU，MicrocontrollerUnit）、功率半導(dǎo)體、傳感器。

功能芯片：主要是指處理器和控制器芯片。車輛控制系統(tǒng)主要包括車身電子系統(tǒng)、車輛運動系統(tǒng)、動力總成系統(tǒng)、信息娛樂系統(tǒng)、自動駕駛系統(tǒng)等幾大部分，這些系統(tǒng)下面又存在著眾多子功能項，每個子功能項背后都有一個控制器，控制器內(nèi)部會有一顆功能芯片。

自動駕駛芯片，本質(zhì)上也是功能芯片，是隨著智能汽車發(fā)展產(chǎn)生的一種高算力芯片。目前，已商用的自動駕駛芯片基本處于高級駕駛輔助系統(tǒng)階段，可實現(xiàn)L1-L2級輔助駕駛，部分宣稱可實現(xiàn)L3級功能，面向L4-L5級完全自動駕駛及全自動駕駛芯片離規(guī)?；逃萌杂芯嚯x。



自動駕駛芯片正在成為一個多方角力的新戰(zhàn)場，英特爾、英偉達、高通、AMD等消費電子芯片巨頭，地平線、黑芝麻等創(chuàng)新企業(yè)，華為、百度等科技公司及以特斯拉為代表的車企都在紛紛布局。

算力和能效比是自動駕駛芯片最主要的評價指標(biāo)，L1-L2級需要的芯片算力小于10 TOPS，L3級需要的算力為30-60 TOPS，L4級需要的芯片算力大于100 TOPS，L5級需要的算力為500-1000 TOPS。

功率半導(dǎo)體：主要負責(zé)功率轉(zhuǎn)換，多用于電源和接口，例如電動車用的IGBT功率芯片，以及可以廣泛使用在模擬電路與數(shù)字電路的場效晶體管MOSFET等。

傳感器：則主要用于各種雷達、安全氣囊、胎壓檢測等。

說了上面的自動駕駛芯片相關(guān)供應(yīng)商，在動力域汽車電子領(lǐng)域，芯片供應(yīng)商主要有這么幾位大佬：英飛凌（Infineon）、恩智浦（NXP）、意法半導(dǎo)體（ST）、瑞薩（Renesas）、等。

03  高性能芯片對多核的支持

首先汽車軟件越來越需要多核處理器的支持，原因主要有如下幾點。

1、汽車電子電器架構(gòu)和整車功能越來越復(fù)雜，需要計算能力更強大的硬件來支持越來越復(fù)雜的軟件功能，隨著ADAS、自動駕駛等應(yīng)用場景的加入及未來域集中甚至中央計算機的E/E架構(gòu)變更，多核系統(tǒng)的需求將更加明顯。



2、并行計算的需求：例如某些功能的輸出計算需要多個輸入要素在相同時間片內(nèi)執(zhí)行并在同一時刻輸入到該功能模塊。



3、相同時間片內(nèi)多個任務(wù)的串行計算需求：例如多個功能需要在相同的時間內(nèi)被串行執(zhí)行。


4、系統(tǒng)響應(yīng)能力的需求：例如對于那些對時間要求特別高的中斷處理需要單獨在一個核上運行，而周期性任務(wù)則放到另外一個核上運行，從而提高整個系統(tǒng)的響應(yīng)能力。



多核處理器從內(nèi)核架構(gòu)上主要分為：同構(gòu)和異構(gòu)處理器兩類。

異構(gòu)多核架構(gòu)：MCU由多個不同架構(gòu)的內(nèi)核構(gòu)成，例如恩智浦LPC4370（一顆CM4 Arm® Cortex®-M4 和兩顆Cortex®- M0）。在異構(gòu)多核處理器中，一般都會使用高配主內(nèi)核+低配小內(nèi)核的配置（主內(nèi)核用于執(zhí)行批量應(yīng)用處理），較小的內(nèi)核被稱為協(xié)處理器（主要用于處理一些不太復(fù)雜的操作，比如持續(xù)在I/O上發(fā)送數(shù)據(jù)；因此即使有第二個內(nèi)核存在，由于它的作用是支持或補充主內(nèi)核，所以被稱為協(xié)處理器）。另外ARM內(nèi)核架構(gòu)的汽車芯片將在未來智能座艙、智能駕駛等領(lǐng)域會得到越來越多的應(yīng)用，下面是NXP的一款用于視覺處理的一款S32V芯片：



同構(gòu)多核架構(gòu)：即在MCU中采用多個相類似架構(gòu)的內(nèi)核。多個核可同步或異步運行相同代碼和應(yīng)用。同構(gòu)多核架構(gòu)中有一個鎖步模式，而這個鎖步模式是保證安全應(yīng)用的關(guān)鍵。最近幾年很多汽車芯片廠商都已經(jīng)推出了多核處理器，以汽車動力域采用的一些主流芯片為例：

1、英飛凌（Infineon）

Infineon AURIX TC27x系列處理器具有三個32位TriCore架構(gòu)內(nèi)核，其具有兩個支持鎖步的內(nèi)核（1.6P和1.6E）及一個非鎖步核（1.6P）。所謂的1.6P是一種超標(biāo)量核，一般TC 1.6P核的性能比TC 1.6E高出10~20%。



該處理器支持應(yīng)用的領(lǐng)域主要是底盤安全及動力總成。

2、恩智浦（NXP）

恩智浦MPC5777M多核處理器具有三個32位Tri-Core內(nèi)核，其具有兩個主頻為300MHz的計算核心e200z7（一個鎖步核一個非鎖步核）和一個主頻為200MHz的外設(shè)核e200z4。



總之各大汽車電子芯片供應(yīng)商都有各自的多核系統(tǒng)解決方案，這里就不再累贅。最近幾年越來越受到大家關(guān)注的域控制器就是希望將多個控制器的功能在一個硬件上集成實現(xiàn)，從而簡化整車E/E架構(gòu)并降低成本，下面是一個域控制器的應(yīng)用示例：



上圖是芯馳科技的多核異構(gòu)計算架構(gòu)，一個芯片內(nèi)集成了包括ARM Cortex -A55、PowerVR GPU、Cortex-R5、CV引擎、包處理引擎、Slim AI引擎和Voice引擎等不同的結(jié)構(gòu)?？梢詫崿F(xiàn)在最低損耗下數(shù)據(jù)的高效溝通。

另外，其在智能座艙的單芯片全系列解決方案：X9?？梢源蛟煲恍臼恋淖擇{乘體驗，集成了中控娛樂導(dǎo)航、全液晶虛擬儀表、語音識別、副駕娛樂、獨立后排娛樂、抬頭顯示HUD、360環(huán)視等諸多功能，其強大性能由此可見一斑。

04  高性能芯片對信息安全的支持

安全在每個領(lǐng)域都是一個永恒的話題，汽車也不例外，最近幾年汽車安全也越來越受到用戶及開發(fā)人員的重視，安全的要素也是多方面的，例如用戶可能關(guān)心在使用車機系統(tǒng)時的隱私安全、打開ACC等輔助駕駛功能時的人身安全等；站在攻城獅的角度則會關(guān)注和考慮整車E/E架構(gòu)、硬件以及軟件等方面的可靠和安全，比如硬件的EMC和隨機故障、軟件功能設(shè)計及控制器內(nèi)部和外部的通訊安全等等。每個安全要素作為系統(tǒng)目標(biāo)的重要組成部分只為保證整車的可靠性和安全性，從而保護用戶的信息安全和人身安全。

隨著軟件日益復(fù)雜，并且車載系統(tǒng)和傳感器數(shù)量穩(wěn)步增加，車內(nèi)系統(tǒng)的通訊成幾何增長，必須加強密碼保護。這種保護可以通過經(jīng)典的實時汽車開放系統(tǒng)架構(gòu)（AUTOSAR）來實現(xiàn)。即便在資源稀缺的情況下，安裝合適固件的硬件安全模塊（HSM）也是一種永不過時的技術(shù)，它可以用來驗證您的系統(tǒng)密碼。硬件安全模塊（HSM）是由一種防火墻連接到主機系統(tǒng)總線的獨立微控制器。HSM通常有其受保護的內(nèi)存（RAM），程序代碼和數(shù)據(jù)的專用閃存區(qū)，及其外圍設(shè)備，例如定時器、用于某些密碼算法的硬件加速器或用于真隨機數(shù)的發(fā)生器。它能夠訪問主機的所有硬件。在運行時實現(xiàn)系統(tǒng)的安全、認證啟動或主機監(jiān)測。專用數(shù)據(jù)閃存可以用來存儲秘鑰，主機系統(tǒng)無法隨意訪問。這意味著主機可以請求HSM執(zhí)行加密操作，而密鑰無需離開HMS。然而，在這方面，HSM的特殊優(yōu)點是它是可自由編程的。作為一個獨立的微控制器，HSM能夠運行為當(dāng)前用例優(yōu)化的任何程序代碼。這使得其安全性要求比簡單的協(xié)處理器更高。通過HSM來管理對芯片內(nèi)外設(shè)訪問的權(quán)限以及通訊上的加密和解密將提高信息安全。



芯馳科技的芯片內(nèi)置了獨立的HSM，具有獨立的電源、獨立的時鐘和獨立的外設(shè)接口，以系統(tǒng)中最高的功能安全標(biāo)準(zhǔn)進行設(shè)計，可以用作系列的安全控制系。

05  高性能芯片對功能安全的支持和開發(fā)挑戰(zhàn)

高性能多核芯片的應(yīng)用一方面是為了提高計算能力，另一方面則是通過多核可實現(xiàn)不同ASIL等級的拆解，但在多核系統(tǒng)中實現(xiàn)ISO26262定義的功能安全卻并非易事。要想在多核系統(tǒng)上實現(xiàn)一定的功能安全設(shè)計目標(biāo)，會對硬件和軟件兩方面產(chǎn)生一定的影響。



在硬件方面，可能就是多核處理器的鎖步概念：在鎖步模式下，兩個核分別執(zhí)行相同的代碼，獨立的比較器對兩個核的計算結(jié)果進行比較，并在出現(xiàn)差異時生成一個trap。之后的處理取決于ECU的硬件條件和安全架構(gòu)，其中硬件設(shè)計上必須確保在trap發(fā)生后ECU仍然處于安全狀態(tài)（鎖步核的增加不是提高計算能力的多核架構(gòu)，而是一種保證系統(tǒng)安全的多核機制，個人的理解）。

而在軟件方面，開發(fā)人員根據(jù)軟件的可并行性和相關(guān)安全架構(gòu)，將上層軟件模塊分配給AUTOSAR中定義的OS Application。這一分配過程對應(yīng)于ISO26262中定義的"分區(qū)"，且該過程能夠使ECU在運行時不會引起內(nèi)部區(qū)域的相互干擾。

在多核ECU中，OS Application被分配給不同的處理器內(nèi)核。從開發(fā)人員的角度來看，分區(qū)的主要目的并非程序并行性或是程序安全性：首要任務(wù)是確保OS應(yīng)用程序之間不受互相干擾。為此，尤其需要引入運行時監(jiān)控（Runtime Monitoring）并避免對安全相關(guān)的存儲器內(nèi)容進行篡改。





總之，高可靠高性能的汽車芯片在提供豐富外設(shè)的同時更給復(fù)雜的汽車軟件開發(fā)和應(yīng)用提供了根基。雖然很長一段時間，芯片核心技術(shù)被國外壟斷，但我們國內(nèi)的很多企業(yè)，例如地平線、芯馳科技都在研發(fā)上取得了不俗的創(chuàng)新和良好的市場表現(xiàn)，讓我們有充分理由相信智能化浪潮的演進會比預(yù)期中更快更精彩。


參考文獻：天風(fēng)證券、麥肯錫、Vector、EB等資料