下一代汽車微控制器：意法半導(dǎo)體技術(shù)解析

意法半導(dǎo)體（ST）深耕汽車市場已有30余年的歷史，其產(chǎn)品和解決方案覆蓋普通車輛的大多數(shù)應(yīng)用系統(tǒng)。隨著市場的發(fā)展，意法半導(dǎo)體的產(chǎn)品也在不斷升級改進，其中的重要產(chǎn)品汽車微控制器（MCU）也不例外。

ST率先推出了嵌入式非易失性存儲器（eNVM），并通過ST10引領(lǐng)市場，隨后推出了基于PowerPC架構(gòu)的SPC5系列汽車微控制器，在汽車領(lǐng)域出貨量超過十億個MCU。來自STM8系列的高性價比汽車控制器補充了這一產(chǎn)品線。

ST的Stellar產(chǎn)品家族

Stellar產(chǎn)品家族是意法半導(dǎo)體目前最新一代基于Arm的汽車微控制器，是意法半導(dǎo)首個高低端產(chǎn)品全覆蓋的汽車MCU產(chǎn)品組合。這些先進的微控制器降低了開發(fā)復(fù)雜性，確保應(yīng)用的安全性和可靠性，讓下一代車輛架構(gòu)和功能具有更佳的性能和能效?？蛻艨梢允芤嬗诟痰拈_發(fā)時間，并專注于為他們的軟件定義汽車（SDV）帶來創(chuàng)新和差異化，以應(yīng)對激烈的市場競爭。因此，Stellar產(chǎn)品在亞洲和歐洲客戶中的關(guān)注度不斷提升。

Stellar是業(yè)內(nèi)在eFlash之后推出的首個嵌入式非易失性存儲器技術(shù)，是市場上目前最成熟、最小的汽車級存儲單元解決方案的代表。Stellar產(chǎn)品家族適合汽車電動化應(yīng)用，包括X-in-1高集成度車輛電機控制計算機、新型車輛架構(gòu)，以及用于ADAS、區(qū)域控制和車身集成等安全關(guān)鍵子系統(tǒng)的安全MCU。

它通過將多種功能安全地集成到單一設(shè)備中，并允許在車輛中持續(xù)集成新功能，全面支持汽車轉(zhuǎn)型。這一切離不開關(guān)鍵技術(shù)，包括正確選擇處理器核心技術(shù)、虛擬化、以太網(wǎng)支持以及嵌入在汽車MCU中的突破性內(nèi)存技術(shù)。對于面臨應(yīng)用存儲器大小挑戰(zhàn)的客戶來說，該技術(shù)是一個顛覆性的改變。

Stellar MCU搭載Arm? Cortex?-R52+處理器技術(shù)。這款高性能處理器支持實時虛擬化，適用于實時控制的安全系統(tǒng)，能夠在互不干擾的情況下同時運行多個應(yīng)用。該微控制器具有完全可編程的輔助核心，可以加快執(zhí)行特定的功能，例如，路由、低功耗管理和數(shù)字濾波，同時減輕主核心的計算量。

“隨著駕駛體驗在AI和軟件定義汽車時代的不斷演變，提升汽車功能性安全、靈活性和實時性能至關(guān)重要，”Arm汽車業(yè)務(wù)線高級副總裁兼總經(jīng)理Dipti Vachani表示，“基于Arm構(gòu)建的Stellar微控制器系列利用Arm計算平臺的先進安全性和實時功能，以及廣泛的Arm軟件生態(tài)系統(tǒng)，讓汽車制造商能夠在遵守嚴(yán)格安全法規(guī)的同時，實現(xiàn)創(chuàng)新功能，在汽車領(lǐng)域保持領(lǐng)先地位?！?/p>

Stellar微控制器讓汽車廠商能夠在車輛上引入以太網(wǎng)功能，是意法半導(dǎo)體首個嵌入以太網(wǎng)交換機的MCU。以太網(wǎng)技術(shù)可以提高數(shù)據(jù)交換的能效和靈活性，支持千兆吞吐量需求，并提供更高水平的安全性。通過支持各種車載通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，例如，以太網(wǎng)環(huán)，這款汽車微控制器實現(xiàn)了將整車布線電纜長度和制造成本降低一半的承諾。

相變存儲器將重新定義車輛軟件的可能性

Stellar微控制器利用嵌入式相變存儲器（PCM）技術(shù)及其靈活性，徹底改變了軟件更新無線下載（OTA）體驗。在汽車行業(yè)中，OTA對于在不拆卸硬件的情況下添加新功能和安全補丁至關(guān)重要。然而，這種靈活性通常需要仔細(xì)考慮未來的存儲容量需求，因為無線更新可能導(dǎo)致成本增加和產(chǎn)品規(guī)劃復(fù)雜化。

意法半導(dǎo)體創(chuàng)新的PCM不是普通的存儲器。它不僅是業(yè)內(nèi)目前最小的汽車MCU存儲單元，還是汽車領(lǐng)域首個開創(chuàng)性的技術(shù)突破，重新定義了車輛軟件可以實現(xiàn)哪些功能。意法半導(dǎo)體的PCM創(chuàng)新技術(shù)將存儲器處理數(shù)據(jù)的能力提高了一個檔次，這不僅關(guān)乎存儲器的讀寫性能，它更是一種具有前瞻性的解決方案，為汽車領(lǐng)域帶來了適應(yīng)能力和持久價值，讓終端開發(fā)者能夠不斷改進和升級汽車功能。

隨著車輛越來越具有軟件定義功能，引入新功能和改進功能的能力變得至關(guān)重要。PCM的突破性技術(shù)支持向更具適應(yīng)性、面向未來的汽車轉(zhuǎn)型，隨著汽車功能不斷改進，PCM為汽車廠商帶來新的方式來優(yōu)化體驗。

此外，PCM還提供了不間斷OTA更新的支持能力。PCM可以安全存儲軟件更新，不會影響車輛當(dāng)前操作。得益于并行讀寫能力，新軟件的下載不會干擾當(dāng)前在MCU上運行的應(yīng)用代碼，從而確保更新過程繼續(xù)使用汽車。 Stellar P系列用于集成多種功能，而Stellar G系列則用于實現(xiàn)軟件定義汽車（SDV）的區(qū)域控制器，這兩個系列都利用了意法半導(dǎo)體內(nèi)部開發(fā)的eNVM存儲器和28nm FD-SOI技術(shù)，可以在較低的功耗時實現(xiàn)更高的頻率，具有更強的耐輻射性。Stellar是首個獲得功能安全認(rèn)證的28nm產(chǎn)品，將在年底前投入生產(chǎn)。

Stellar產(chǎn)品家族還支持日益增強的X-in-1高集成度趨勢，推進汽車從油車到電動車的決定性轉(zhuǎn)變，促進更經(jīng)濟實惠的電動汽車發(fā)展。X-in-1動力總成解決方案將多個組件集成到一個單一ECU中，使制造商能夠創(chuàng)造高能效、緊湊、高性價比的汽車。

Stellar提供可擴展的X-in-1高集成度解決方案，從低集成到高集成度ECU，該微控制器可以集成越來越多的ECU。該解決方案通過提供強化的核心、模擬組件和I/O端口，支持日益復(fù)雜的X-in-1系統(tǒng)開發(fā)。

欣旺達創(chuàng)始人王明旺表示：“作為全球鋰離子電池的龍頭企業(yè)，欣旺達為全球汽車供應(yīng)商提供穩(wěn)定可靠的汽車電子系統(tǒng)解決方案。我們與意法半導(dǎo)體的新合作專注于利用ST的先進Stellar微控制器和專有生產(chǎn)工藝開發(fā)解決方案，主要包括電池管理系統(tǒng)以及VDC/區(qū)域和車身控制功能。我們共同的目標(biāo)是提供智能解決方案，改進中國及全球的下一代新能源汽車?！?/p>

Stellar MCU的基礎(chǔ)組件：

1. Arm? Cortex?-R52+技術(shù)：能夠在互不干擾的情況下同時實時運行多個應(yīng)用程序。

2. FD-SOI技術(shù)：在較低的功耗下實現(xiàn)更高的頻率，并增強抗輻射性。

3. 新的，強大的無線下載方法和真正的EEPROM功能。

4. 一系列與以太網(wǎng)相關(guān)的知識產(chǎn)權(quán)（MAC、MACSec、交換機），能夠支持高容量數(shù)據(jù)傳輸，可實現(xiàn)不同的車載通信拓?fù)洌档蛙囕v制造成本。

5. 完全可編程的輔助核心：加速特定功能，例如，路由、低功耗管理和數(shù)字濾波，同時減輕主核心的運算量。

STM32微控制器將進入汽車市場

作為汽車微控制器（MCU）戰(zhàn)略部署擴大版的一部分，意法半導(dǎo)體將把通用STM32微控制器平臺引入汽車行業(yè)。STM32平臺因成本優(yōu)勢、簡便性和可靠性而廣受認(rèn)可。在增加汽車級質(zhì)量和安全性后，STM32A將達到ASIL B標(biāo)準(zhǔn)。從非常簡單的功能到更復(fù)雜的單一任務(wù)，該平臺可以處理各種邊緣執(zhí)行器應(yīng)用，而且成本實現(xiàn)了優(yōu)化，特別適合車輛系統(tǒng)中的電機控制應(yīng)用，包括車窗、后視鏡和天窗等。

工業(yè)與汽車最佳結(jié)合：邁向融合的未來

隨著時間的推移，工業(yè)軟硬件平臺和汽車軟硬件平臺的融合將結(jié)合兩者的優(yōu)勢。汽車行業(yè)帶來了強大的安全專業(yè)知識，而工業(yè)領(lǐng)域則建立在強大的物聯(lián)網(wǎng)和人工智能解決方案之上。未來融合將共享硬件技術(shù)、核心以及一個共同的工具和軟件支持生態(tài)系統(tǒng)。這種融合將使客戶能夠在解決方案之間無縫過渡，提供簡化和完全的可擴展性，從而更快地進行創(chuàng)新。

邊緣AI技術(shù)是ST看到的一個現(xiàn)有工業(yè)技術(shù)應(yīng)用到未來汽車行業(yè)的例子。神經(jīng)加速器開發(fā)工具讓開發(fā)人員能夠在其應(yīng)用中輕松實現(xiàn)AI，不受他們的數(shù)據(jù)學(xué)專業(yè)知識水平的限制，將來，神經(jīng)加速器技術(shù)及其相關(guān)工具將改進汽車系統(tǒng)。安全性是ST看到的另一個工業(yè)與汽車技術(shù)融合帶來顯著好處的應(yīng)用領(lǐng)域。在過去約10年中，意法半導(dǎo)體投資開發(fā)微控制器、智能傳感器和AI軟件工具，以滿足客戶的需求并利用好邊緣AI的優(yōu)勢。

在汽車行業(yè)，盡管人工智能應(yīng)用，除自動駕駛外，仍處于起步階段，但是，有望優(yōu)化系統(tǒng)、提升能源效率和解決問題的應(yīng)用正成為新興趨勢。例如，虛擬傳感器可以測量轉(zhuǎn)子溫度，預(yù)測性維護可以確保車輛的可靠性。隨著車輛中傳感器數(shù)量的顯著增加，把如此多的傳感器虛擬化，進一步提升汽車性能，AI將在其中發(fā)揮關(guān)鍵作用。安全性是ST看到另一個工業(yè)與汽車融合帶來顯著好處的領(lǐng)域。

未來汽車微控制器將基于目前最先進和高能效的18nm工藝技術(shù)。ST的先進的汽車MCU技術(shù)組合涵蓋從40nm到28nm再到18nm的技術(shù)，旨在優(yōu)化產(chǎn)品性能和成本。

IDM模式為客戶帶來的好處

作為一家半導(dǎo)體垂直整合制造商（IDM），意法半導(dǎo)體開發(fā)半導(dǎo)體基礎(chǔ)工藝技術(shù)和核心知識產(chǎn)權(quán)（IP），然后利用這些半導(dǎo)體技術(shù)和知識產(chǎn)權(quán)設(shè)計芯片，并在自營工廠內(nèi)或委托合作伙伴制造、測試和封裝芯片。這種IDM模式為客戶帶來了多項優(yōu)勢：

• 為滿足客戶在各個市場中的應(yīng)用需求而設(shè)計和優(yōu)化的流程。
• ST自主開發(fā)的針對特定功能和系統(tǒng)優(yōu)化的IP模塊。
• ST的工藝、產(chǎn)品和運營團隊能夠緊密合作，優(yōu)化制造工藝，改進關(guān)鍵性能和良率。
• 產(chǎn)能的控制能力，建立靈活、可靠的供應(yīng)鏈。

這個模式對汽車客戶尤其重要。

在Stellar微控制器上整合FD-SOI與相變存儲器（PCM）技術(shù)，是證明垂直整合模式給客戶帶來的好處的一個范例。意法半導(dǎo)體是這兩項技術(shù)的關(guān)鍵開發(fā)者之一，與合作伙伴一起將其推向市場。意法半導(dǎo)體掌握這兩項技術(shù)，并根據(jù)汽車應(yīng)用需求優(yōu)化技術(shù)，這一技術(shù)實力和定制能力造就了具有獨特優(yōu)勢的產(chǎn)品。意法半導(dǎo)體的PCM技術(shù)創(chuàng)造了業(yè)內(nèi)目前最小的物理存儲單元，存儲密度是其他產(chǎn)品的兩倍。

得益于這種存儲技術(shù)的高能效、高可靠性和抗輻射性，采用FD-SOI和嵌入式PCM設(shè)計的集成電路能夠滿足汽車應(yīng)用目前最嚴(yán)格的要求。意法半導(dǎo)體的PCM技術(shù)滿足AEC-Q100零級汽車標(biāo)準(zhǔn)要求，工作溫度高達+165°C。該專利技術(shù)支持高溫數(shù)據(jù)保存，包括在焊接回流過程中保存數(shù)據(jù)，因此，固件可以在焊接前下載到芯片。

生態(tài)系統(tǒng)在轉(zhuǎn)型中發(fā)揮關(guān)鍵作用

這一市場先進的技術(shù)配有一個巨大的合作伙伴生態(tài)系統(tǒng)，從開發(fā)工具到具體的安全、保障和數(shù)據(jù)交換傳輸軟件庫，進一步增強了ST的產(chǎn)品組合的實力。這也將簡化設(shè)計，幫助客戶向軟件定義汽車的轉(zhuǎn)型。

Green Hills Software創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行Dan O’Dowd表示： “意法半導(dǎo)體與Green Hills Software緊密合作，為汽車原始設(shè)備制造商（OEM）和一級供應(yīng)商（T1）提供創(chuàng)新的軟硬件一體化解決方案，以應(yīng)對在開發(fā)下一代車輛區(qū)域架構(gòu)中面臨的越來越多的挑戰(zhàn)。Green Hills的實時操作系統(tǒng)（RTOS）經(jīng)過生產(chǎn)驗證和安全認(rèn)證，該系統(tǒng)和開發(fā)工具配合Stellar SR6獨有的通信IP，可以提供先進的有容錯功能的區(qū)域網(wǎng)絡(luò)，能夠顯著降低每輛車的成本，同時縮短上市時間。”

Vector嵌入式軟件和系統(tǒng)產(chǎn)品線總監(jiān)Jochen Rein表示： “我們的MICROSAR Classic嵌入式軟件為客戶提供安全可靠的基本的 ECU（電子控制單元）軟件。得益于與意法半導(dǎo)體多年的緊密合作，新推出的Stellar MCU已經(jīng)支持我們的軟件。通過將Stellar的先進硬件與Vector的強大軟件集成，客戶能夠獲得目前最高水平的安全性和可靠性，既適用于ADAS（高級駕駛輔助系統(tǒng)）應(yīng)用，也能成功處理向軟件定義汽車的轉(zhuǎn)型?！?/p>

普華基礎(chǔ)軟件副總裁Luo Tong表示：“普華基礎(chǔ)軟件是中國先進的汽車操作系統(tǒng)開發(fā)商，也是AUTOSAR在中國基礎(chǔ)軟件領(lǐng)域的優(yōu)質(zhì)合作伙伴。自2016年與意法半導(dǎo)體合作以來，普華基礎(chǔ)軟件已成為意法半導(dǎo)體在中國的MCAL代理。這個代理服務(wù)包括多個微控制器，例如，SPC58/SPC56/STM8A，雙方還將圍繞新推出的Stellar產(chǎn)品家族進行更深入的戰(zhàn)略合作，未來，Stellar將支持EasyXMen開源操作系統(tǒng)?！?/p>

東軟睿馳NeuSAR CP產(chǎn)品中心主任王繼鵬表示：“東軟睿馳的軟件平臺NeuSAR率先在國內(nèi)量產(chǎn) ‘AUTOSAR+中間件’全棧軟件，廣泛應(yīng)用于下一代ADAS（高級駕駛輔助系統(tǒng)）、底盤、電源和車身控制系統(tǒng)。東軟睿馳提供基于SPC5和Stellar E系列汽車微控制器的整體解決方案，包括應(yīng)用程序/基本軟件、引導(dǎo)加載程序、刷新和仿真，未來將支持新一代Stellar P和G系列。雙方將共同努力，創(chuàng)造更高水平的汽車級軟硬件整體解決方案，幫助原始設(shè)備制造商（OEM）和一級供應(yīng)商（Tier 1）提供高能效、個性化和差異化的功能，加速軟件定義汽車（SDV）的創(chuàng)新?！?/p>

結(jié)束語

通過在不同的產(chǎn)品維度之間構(gòu)建共同的基礎(chǔ)，專注打造穩(wěn)健的汽車級質(zhì)量，意法半導(dǎo)體為一個廣闊的市場提供一個廣而深的產(chǎn)品組合，“廣度”是指涵蓋從128KB到64MB的存儲器，從單核到多核處理器及虛擬化，“深度”是指每個系列都是為特定功能專門優(yōu)化設(shè)計：Stellar P和G系列專注于高集成度應(yīng)用，而STM32A將是高性價比應(yīng)用的理想選擇，瞄準(zhǔn)那些看重能效和簡單的單核應(yīng)用。

意法半導(dǎo)體的汽車微控制器開發(fā)戰(zhàn)略布局?jǐn)U展版專注于幫助客戶降低設(shè)計復(fù)雜性，提高能效，同時確保下一代汽車達到更高的安全標(biāo)準(zhǔn)，涵蓋汽車電動化、個性化、自動化和通信連接。