編者按：MCU（微控制(zhi)器）是承擔系統控制(zhi)、執行(xing)運算等核心功(gong)(gong)能(neng)的(de)(de)(de)(de)(de)芯片級處理器，是各(ge)類電子設備不可(ke)或缺的(de)(de)(de)(de)(de)主(zhu)控芯片。隨著消費(fei)電子、汽車、工業(ye)等應用領域的(de)(de)(de)(de)(de)智能(neng)化(hua)需求成(cheng)為主(zhu)流，MCU迎來(lai)新(xin)的(de)(de)(de)(de)(de)市場空間。相(xiang)應的(de)(de)(de)(de)(de)，各(ge)個領域電子設備的(de)(de)(de)(de)(de)智能(neng)化(hua)發展，也對MCU的(de)(de)(de)(de)(de)技術規格、功(gong)(gong)能(neng)集(ji)成(cheng)、定制(zhi)能(neng)力、生態搭建(jian)、成(cheng)本管(guan)理等提(ti)出了(le)更高要求。在此背(bei)景下，《中國(guo)電子報(bao)》以“芯擎萬物 智控未來”為主(zhu)題推出MCU專題，面(mian)向(xiang)汽車電子、智能(neng)工控等應用領(ling)域全面(mian)擁抱聯網化、智能(neng)化的趨勢，盤點MCU的市場需(xu)求變(bian)化和創新升級方向(xiang)。
在汽(qi)車(che)(che)(che)產業(ye)加速向電(dian)(dian)動(dong)化(hua)(hua)、智(zhi)能化(hua)(hua)、網聯化(hua)(hua)、共享化(hua)(hua)邁進(jin)的(de)當下，汽(qi)車(che)(che)(che)電(dian)(dian)子(zi)系(xi)(xi)統(tong)正(zheng)經歷著(zhu)翻天覆地的(de)變革。汽(qi)車(che)(che)(che)MCU（微(wei)控(kong)制器）作為(wei)汽(qi)車(che)(che)(che)電(dian)(dian)子(zi)系(xi)(xi)統(tong)的(de)核心控(kong)制部件，宛如汽(qi)車(che)(che)(che)的(de)“大腦”，負責協調和管理汽(qi)車(che)(che)(che)的(de)各種電(dian)(dian)子(zi)系(xi)(xi)統(tong)，從(cong)發動(dong)機控(kong)制、底(di)盤管理，到多媒體娛樂、自動(dong)駕駛輔助，汽(qi)車(che)(che)(che)MCU的(de)身(shen)影無處不(bu)在，深度融入汽(qi)車(che)(che)(che)的(de)每一(yi)個“神經末(mo)梢(shao)”。隨(sui)著(zhu)汽(qi)車(che)(che)(che)智(zhi)能化(hua)(hua)加速，MCU也進(jin)入創(chuang)新升級的(de)關鍵期。
AI浪潮下 汽(qi)車MCU算力狂(kuang)飆
近年來，AI技(ji)(ji)術在汽(qi)(qi)車(che)(che)領(ling)域的(de)(de)應用不斷(duan)深入，汽(qi)(qi)車(che)(che)MCU也開始融合(he)AI技(ji)(ji)術，以(yi)實(shi)現更高級別的(de)(de)自(zi)動(dong)駕(jia)駛和(he)智能(neng)(neng)化(hua)功能(neng)(neng)。特(te)別是在自(zi)動(dong)駕(jia)駛輔(fu)助系統中，AI技(ji)(ji)術的(de)(de)融入讓(rang)汽(qi)(qi)車(che)(che)MCU如(ru)虎添翼(yi)。通(tong)過(guo)攝像頭、雷(lei)達等傳感器收集(ji)大量的(de)(de)環境數據(ju)，AI算(suan)法能(neng)(neng)夠實(shi)時分(fen)析這些數據(ju)，識別道(dao)路、車(che)(che)輛、行人等物體，并做出相應的(de)(de)駕(jia)駛決(jue)策，讓(rang)汽(qi)(qi)車(che)(che)的(de)(de)智能(neng)(neng)化(hua)水平得(de)到質的(de)(de)提升。
特斯拉(la)的(de)Autopilot自動(dong)駕駛輔助系統（圖片來(lai)源：特斯拉(la)官網(wang)）
例如，特斯拉(la)的(de)Autopilot自(zi)動(dong)駕駛輔助系統，利(li)(li)用AI技術實現了自(zi)動(dong)緊急(ji)制動(dong)、自(zi)適應巡航(hang)、自(zi)動(dong)泊車等功能(neng)。在(zai)遇到前(qian)方(fang)突然出現的(de)障礙物時(shi)，搭載AI的(de)汽(qi)車MCU能(neng)夠迅速做出反應，自(zi)動(dong)觸發(fa)(fa)緊急(ji)制動(dong)系統，避免碰(peng)撞事(shi)故的(de)發(fa)(fa)生，提(ti)升了駕駛的(de)安(an)全性和便利(li)(li)性。
除了自(zi)動駕(jia)駛輔助，AI融合的(de)汽車(che)MCU在(zai)(zai)車(che)輛故障檢測和(he)預測性維護方面(mian)也發揮著重(zhong)要作用。通過(guo)對車(che)輛各種(zhong)傳感器數(shu)據(ju)的(de)實時(shi)監測和(he)分析，AI算法可以(yi)提前發現潛在(zai)(zai)的(de)故障隱(yin)患，并及時(shi)發出(chu)預警(jing)，提醒車(che)主(zhu)進行(xing)維修保(bao)養。這樣不(bu)僅可以(yi)避免車(che)輛在(zai)(zai)行(xing)駛過(guo)程中突發故障，還能降低維修成本，提高車(che)輛的(de)可靠性和(he)使(shi)用壽命(ming)。
數據來源:Yole
為了實現這些新興功(gong)能，MCU正經(jing)歷著前所未有的算(suan)力升級(ji)。專家表示，L2級(ji)輔助駕駛(shi)(shi)僅需處(chu)理攝(she)像頭(tou)和毫米波雷達(da)的基礎數據，實現車(che)道(dao)保(bao)持(chi)、自適應(ying)巡航等簡(jian)單(dan)功(gong)能，對(dui)(dui)應(ying)的MCU算(suan)力需求(qiu)在10TOPS以下。但(dan)當自動(dong)駕駛(shi)(shi)級(ji)別(bie)邁向L3，車(che)輛需要(yao)應(ying)對(dui)(dui)復(fu)雜城市路況的實時決策，融合激光雷達(da)、高清攝(she)像頭(tou)等多路傳感(gan)器數據，此(ci)時算(suan)力需求(qiu)飆(biao)升至(zhi)300TOPS以上。到(dao)了L4級(ji)完全(quan)自動(dong)駕駛(shi)(shi)階段，車(che)輛要(yao)在無人(ren)類干預(yu)的情(qing)況下處(chu)理突(tu)發場(chang)景、動(dong)態規劃路徑，算(suan)力需求(qiu)突(tu)破1000TOPS。
智能座艙(cang)的(de)AI化(hua)同樣推動(dong)算力需求(qiu)(qiu)激增(zeng)。傳統座艙(cang)僅(jin)需處(chu)理(li)影音娛樂(le)等基礎功能，幾TOPS的(de)MCU算力即可滿足(zu)。但(dan)如今，多模(mo)態(tai)交互（語音、手勢、面部識別）成為標配。這些功能疊加后，單一智能座艙(cang)域的(de)MCU算力需求(qiu)(qiu)已突破50TOPS，若再(zai)融入(ru)AR導航、情感交互等進(jin)階功能，算力需求(qiu)(qiu)還(huan)將(jiang)翻(fan)倍(bei)。
從數據來看，AI技(ji)術(shu)的(de)(de)融(rong)入讓汽(qi)(qi)車(che)MCU的(de)(de)算力需求在(zai)短短幾年(nian)內實(shi)現了(le)從“TOPS級”到“千TOPS級”的(de)(de)跨越，且這(zhe)一增(zeng)長(chang)曲線仍在(zai)陡峭上(shang)揚。群(qun)智咨(zi)詢的(de)(de)數據顯示，2024年(nian)全球汽(qi)(qi)車(che)MCU市(shi)場規模約為109億(yi)美元，同比仍然增(zeng)長(chang)8.3%。在(zai)汽(qi)(qi)車(che)智能化、電(dian)動(dong)(dong)化、網聯(lian)化趨勢的(de)(de)帶(dai)動(dong)(dong)下(xia)，預計高性(xing)能汽(qi)(qi)車(che)MCU的(de)(de)占比將持(chi)續提升，帶(dai)動(dong)(dong)汽(qi)(qi)車(che)MCU市(shi)場營收規模持(chi)續增(zeng)長(chang)。
架構革新帶(dai)來的集成度提升
當(dang)前，汽車(che)(che)電(dian)子電(dian)氣架(jia)構(gou)的(de)變革正推動(dong)MCU從“分(fen)布式(shi)孤(gu)軍作戰”邁向“集中(zhong)式(shi)協同(tong)管理(li)”。此前，汽車(che)(che)采用分(fen)布式(shi)電(dian)子控(kong)制單元（ECU）架(jia)構(gou)，每個功(gong)能(neng)(neng)(neng)(neng)模塊，如(ru)車(che)(che)窗升降、燈(deng)光控(kong)制、雨刮調節等，都配備獨立的(de)MCU。這(zhe)種架(jia)構(gou)雖能(neng)(neng)(neng)(neng)滿足基本功(gong)能(neng)(neng)(neng)(neng)需求，但隨(sui)著汽車(che)(che)智(zhi)(zhi)能(neng)(neng)(neng)(neng)化程度加深，弊端(duan)逐漸顯現。眾(zhong)多獨立MCU導(dao)致整(zheng)車(che)(che)ECU數量(liang)激增(zeng)，布線復雜，不僅增(zeng)加了成本與重量(liang)，還(huan)使系統(tong)的(de)可(ke)(ke)靠性(xing)和可(ke)(ke)維護性(xing)降低。而且，各MCU算力(li)有限，面對智(zhi)(zhi)能(neng)(neng)(neng)(neng)駕駛、智(zhi)(zhi)能(neng)(neng)(neng)(neng)座(zuo)艙等復雜功(gong)能(neng)(neng)(neng)(neng)產生的(de)海量(liang)數據(ju)，傳統(tong)架(jia)構(gou)難(nan)以滿足實時處理(li)需求。
為應對挑戰，多核與異構架構正成(cheng)為汽(qi)車MCU架構革新的核心方向。
多核架構通過集成多個獨立內核，讓不同任務在各自內核上并行運行，大幅提升系統響應速度與運算效率。例如在動力系統控制中，一顆內核可專注于發動機的實時噴油與點火控制，另一顆負責變速器的換擋邏輯計算，第三顆則處理車身穩定系統的傳感器數據，三者協同工作，使車輛動力輸出更平順、換擋更精準，同時保障行車穩定性。例如，英飛凌推出的AURIX TC4x系列微控制器（MCU）采用了新一代TriCore1.8架構，主頻達到500MHz，相較于上一代300MHz有了提升，并且支持虛擬化。這種架構將應用處理器（AP）、微控制器（MCU）以及數字信號處理器（DSP）的功能整合，并且最多可集成6個CPU內核，這些內核協同工作，能夠同時處理多個復雜的任務，提高了數據處理效率。
英飛凌的(de)技術員展示晶圓(yuan)（圖片(pian)來源(yuan)：英飛凌官網）
異(yi)(yi)構(gou)架構(gou)的(de)興起，則是為了應(ying)對汽(qi)車電子系統中(zhong)(zhong)多樣化(hua)的(de)計(ji)算(suan)需求。不同(tong)于(yu)多核架構(gou)中(zhong)(zhong)內核類型一致(zhi)的(de)設(she)計(ji)，異(yi)(yi)構(gou)架構(gou)將CPU、GPU、NPU、DSP等不同(tong)類型的(de)計(ji)算(suan)單(dan)元(yuan)集(ji)成在同(tong)一芯片上，讓每種計(ji)算(suan)單(dan)元(yuan)專(zhuan)(zhuan)注于(yu)擅長的(de)任務(wu)(wu)。比如在智(zhi)能(neng)駕駛域(yu)控制器中(zhong)(zhong)，CPU負(fu)責統籌調度與(yu)邏輯(ji)決策，GPU處理高(gao)清攝像(xiang)頭傳來的(de)圖像(xiang)渲染任務(wu)(wu)，NPU則專(zhuan)(zhuan)門加速神經(jing)網絡算(suan)法，快速識(shi)別行人(ren)、車輛與(yu)交通標識(shi)，DSP則高(gao)效處理雷達信號的(de)濾波與(yu)解析。這種“各(ge)司(si)其職”的(de)設(she)計(ji)，讓MCU在處理多模態數(shu)據(ju)時效率(lv)提(ti)升(sheng)數(shu)倍，同(tong)時避免了單(dan)一架構(gou)在特定任務(wu)(wu)上的(de)性能(neng)瓶頸(jing)。
多(duo)核(he)與異(yi)構架構的(de)(de)融合，還推動(dong)了(le)汽車電子系統(tong)的(de)(de)集成(cheng)化與輕量(liang)化。芯(xin)(xin)馳科技推出的(de)(de)E3650車規MCU采用ARM R52+鎖步多(duo)核(he)架構，通過異(yi)構設計集成(cheng)通信(xin)加速引(yin)擎與大容量(liang)存儲，單顆芯(xin)(xin)片即可支撐區域控制器的(de)(de)多(duo)任務處理需求(qiu)，較傳統(tong)方案(an)減少30%的(de)(de)硬(ying)件成(cheng)本。
隨(sui)著汽車智能(neng)(neng)化向更深層次發展(zhan)，多核(he)與(yu)異(yi)構架構的邊界還(huan)在不斷拓展(zhan)。未來，更多專用計算單元將被集成到MCU中，形成“通用計算+專用加速(su)”的混合架構，既(ji)能(neng)(neng)滿足(zu)自動駕駛、車聯網等場景的高算力需(xu)求，又能(neng)(neng)保(bao)障車身控制、動力管理(li)等核(he)心功(gong)能(neng)(neng)的實時(shi)性(xing)與(yu)安全性(xing)。
安全成為新重點
目前(qian)，汽車在越來越智能的(de)同時，風(feng)險點也在隨(sui)之增多(duo)。Upstream Security發布的(de)報(bao)告(gao)中提(ti)出，2023年，全球發生237起針(zhen)對車載系統(tong)的(de)網絡攻擊(ji)事件，較2020年增長3倍，其中不乏有(you)專門針(zhen)對MCU的(de)攻擊(ji)手段，從(cong)而推動了(le)汽車MCU從(cong)“功能安全”向“功能安全+信(xin)息(xi)安全”雙維度防護升級。
瑞薩(sa)電子全球銷售與市場副總裁、瑞薩電子中國總裁賴長青表示：“隨著自動駕駛技術的不斷升級，對MCU的處理性能、安全性和可靠性要求也越來越高，其不僅需要支持復雜的操作系統和多任務處理，還需要滿足高級別的功能安全標準。”
在硬件(jian)層面，汽(qi)車MCU要確保在復雜的(de)汽(qi)車環(huan)境中(zhong)穩(wen)定(ding)、安(an)全地運行。首(shou)先，高可靠(kao)性的(de)硬件(jian)組(zu)件(jian)是基礎。車規級MCU選(xuan)用(yong)的(de)電(dian)子元件(jian)經過(guo)嚴(yan)格(ge)篩選(xuan)，具(ju)備穩(wen)定(ding)性和抗(kang)干(gan)擾(rao)能力，能夠在-40℃至150℃的(de)極端溫度范(fan)圍(wei)內正(zheng)常(chang)工作，還能承受汽(qi)車行駛過(guo)程(cheng)中(zhong)的(de)強(qiang)烈振動(dong)和沖擊(ji)。
冗(rong)余設計(ji)同(tong)(tong)樣不(bu)可(ke)(ke)或缺。部分高端汽(qi)車MCU采(cai)用(yong)雙核(he)鎖步技術，兩(liang)個(ge)(ge)核(he)心(xin)同(tong)(tong)時(shi)執行(xing)(xing)相同(tong)(tong)的指(zhi)令，并相互(hu)校驗結(jie)果。若其中(zhong)一(yi)個(ge)(ge)核(he)心(xin)出(chu)現(xian)故障(zhang)(zhang)，另一(yi)個(ge)(ge)核(he)心(xin)能夠立即接管(guan)工作，確(que)保系統(tong)的連續運行(xing)(xing)。在(zai)自動(dong)駕(jia)駛的決策系統(tong)中(zhong)，雙核(he)鎖步的MCU可(ke)(ke)以同(tong)(tong)時(shi)對傳感(gan)器數(shu)據進(jin)行(xing)(xing)處理和(he)分析，兩(liang)個(ge)(ge)核(he)心(xin)的處理結(jie)果相互(hu)比對，一(yi)旦(dan)發現(xian)差異，就表明(ming)可(ke)(ke)能存(cun)在(zai)故障(zhang)(zhang)，系統(tong)會及時(shi)采(cai)取相應的安全措施，如啟動(dong)備份系統(tong)或發出(chu)故障(zhang)(zhang)警報。
恩智浦基于(yu)汽車(che)處理器和微控制器的電氣化解(jie)決方案
在軟(ruan)件層面，汽車(che)MCU同(tong)樣(yang)采取了多重安全保障措施(shi)，以應對日益復(fu)雜的網絡安全威脅和系統穩定性需求。
安全啟動技術是第一道防線。它確保MCU在啟動時加載的是經過認證的可信代碼。當MCU上電啟動時，會首先對存儲在內部或外部存儲器中的啟動代碼進行數字簽名驗證。只有簽名驗證通過，證明代碼未被篡改且來源可信，MCU才會繼續執行后續的啟動流程。如果黑客試圖篡改啟動代碼，簽名驗證將失敗，MCU將拒絕啟動，從而有效防止惡意代碼的植入。意法半導體的STM32MP1系列MCU采用硬件級_root of trust_（信任根），芯片上電時先驗證固件簽名，只有通過認證的程序才能運行，從源頭阻止惡意代碼注入。
加(jia)密(mi)(mi)(mi)通信與入(ru)侵檢測構成第二道(dao)屏障。在(zai)車(che)(che)聯網環境(jing)下，汽車(che)(che)MCU與外部設(she)備或云端進(jin)行(xing)通信時，會采用(yong)加(jia)密(mi)(mi)(mi)算法(fa)對數據進(jin)行(xing)加(jia)密(mi)(mi)(mi)處理。常用(yong)的加(jia)密(mi)(mi)(mi)算法(fa)如AES（高級加(jia)密(mi)(mi)(mi)標準），能夠將(jiang)原(yuan)(yuan)始數據轉化(hua)為(wei)密(mi)(mi)(mi)文進(jin)行(xing)傳輸(shu)。當(dang)接(jie)收(shou)方(fang)收(shou)到密(mi)(mi)(mi)文后，再(zai)使(shi)用(yong)相應的密(mi)(mi)(mi)鑰(yao)進(jin)行(xing)解(jie)密(mi)(mi)(mi)，恢復出(chu)原(yuan)(yuan)始數據。在(zai)車(che)(che)輛遠程控(kong)制過程中，車(che)(che)主通過手(shou)機APP發送的控(kong)制指令在(zai)傳輸(shu)到汽車(che)(che)MCU時，會先經過加(jia)密(mi)(mi)(mi)處理，即使(shi)數據在(zai)傳輸(shu)過程中被黑客(ke)截(jie)獲，由于(yu)沒有正確的密(mi)(mi)(mi)鑰(yao)，黑客(ke)也無法(fa)獲取指令內容，保證了(le)車(che)(che)輛控(kong)制的安全性。
未來(lai)，汽(qi)車(che)(che)(che)MCU將在現(xian)有技(ji)術(shu)趨勢的(de)(de)基礎(chu)上(shang)繼(ji)續深化(hua)發展，朝(chao)著更(geng)智能(neng)、更(geng)高(gao)效的(de)(de)方向邁進。AI與汽(qi)車(che)(che)(che)MCU的(de)(de)融合將更(geng)加深入，AI算(suan)法(fa)將不斷優化(hua)，算(suan)力也(ye)將進一(yi)步提(ti)升(sheng)(sheng)，使汽(qi)車(che)(che)(che)能(neng)夠(gou)實現(xian)更(geng)高(gao)級別的(de)(de)自動駕(jia)駛功能(neng)。架構創(chuang)新(xin)也(ye)將MCU的(de)(de)集(ji)成(cheng)度持(chi)續提(ti)升(sheng)(sheng)，未來(lai)的(de)(de)汽(qi)車(che)(che)(che)MCU可能(neng)會集(ji)成(cheng)更(geng)多的(de)(de)功能(neng)模塊，進一(yi)步簡(jian)化(hua)汽(qi)車(che)(che)(che)電子系(xi)統(tong)的(de)(de)設計，降低成(cheng)本，提(ti)高(gao)系(xi)統(tong)的(de)(de)可靠性和性能(neng)。同時，安(an)全問題也(ye)會更(geng)被重視，讓駕(jia)駛體驗更(geng)加安(an)穩。