自動(dòng)駕駛與SOA架構(gòu)下MCU的變化兼論國(guó)產(chǎn)MCU

自動(dòng)駕駛與SOA架構(gòu)下MCU的變化主要是算力要大幅提升，運(yùn)行頻率至少在300MHz以上，片上Flash容量不低于20MB，足以運(yùn)行輕量虛擬機(jī)，還要具備矢量運(yùn)算能力。汽車SOA架構(gòu)即服務(wù)導(dǎo)向架構(gòu)或軟件定義汽車架構(gòu)，在硬件領(lǐng)域?qū)?yīng)的就是Zonal架構(gòu)，即中央計(jì)算服務(wù)器架構(gòu)，也有稱之為域/區(qū)架構(gòu)。

典型Zonal架構(gòu)

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整車廠已在分布式架構(gòu)軟件開(kāi)發(fā)上投入了大量精力財(cái)力人力，這是一筆巨大的研發(fā)資產(chǎn)，物理上的計(jì)算單元只有1-2個(gè)，要想復(fù)用分布式架構(gòu)上的軟件成果，邏輯上需要虛擬出原本一個(gè)功能對(duì)應(yīng)一個(gè)ECU的架構(gòu)。

大多數(shù)現(xiàn)代ECU將運(yùn)行AUTOSAR（AUTomotive Open System ARchitecture）經(jīng)典軟件架構(gòu)，該架構(gòu)提供了基于軟件組件的集成模型、時(shí)間和空間分離、大量的功能安全和信息安全機(jī)制，以及通過(guò)軟件集群機(jī)制的部分更新等。ECU軟件包括來(lái)自多方的部件，包括OEM（應(yīng)用）、Tier 1（中間件和集成）、Tier 2（MCAL，抽象層，通常由硬件芯片廠家提供）和第三方（AUTOSAR BSW、操作系統(tǒng)、安全固件等）。

整車廠的工作主要就是整合來(lái)自多個(gè)供應(yīng)商的軟件部件，并使其達(dá)到ASIL的C級(jí)或D級(jí)。最佳解決辦法是使用hypervisor虛擬機(jī)，將一個(gè)物理ECU變成多個(gè)虛擬ECU。在AUTOSAR術(shù)語(yǔ)中，每個(gè)虛擬ECU是一個(gè)單獨(dú)的ECU（有自己的EcuExtract），通過(guò)COM和虛擬網(wǎng)絡(luò)與其他虛擬ECU進(jìn)行通信。這種解決方案允許每個(gè)虛擬ECU像今天一樣，通過(guò)保留建立ECU集成模型的松散耦合來(lái)進(jìn)行集成。

每個(gè)虛擬機(jī)均被單獨(dú)編譯和鏈接，每個(gè)虛擬機(jī)都有自己的RTE。一個(gè)RTE配置的改變并不要求整個(gè)系統(tǒng)被重新構(gòu)建。每個(gè)虛擬機(jī)都有對(duì)處理器硬件的完全、虛擬化的訪問(wèn)。對(duì)一個(gè)虛擬機(jī)的改變不一定需要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行重新測(cè)試。一個(gè)虛擬機(jī)可以獨(dú)立于整個(gè)系統(tǒng)重新啟動(dòng)，最大限度地減少同一ECU上其他（不相關(guān)）功能的停機(jī)時(shí)間。

每個(gè)ECU最后執(zhí)行或控制的硬件通常是MCU，即虛擬機(jī)在MCU上運(yùn)行，而MCU的運(yùn)算能力有限，要求虛擬機(jī)必須輕量級(jí)。這種級(jí)別的虛擬機(jī)目前主要由三家壟斷，一家是VECTOR的veHypervisor，一家是ETAS的RTA-HVR也有寫(xiě)RTA-LWHVR，LW即輕量級(jí)，還有就是EB的corbos。

汽車MCU市場(chǎng)高度集中，按金額計(jì)算，2021年前六大廠家市場(chǎng)占有率高達(dá)97.5%，前三大廠家市場(chǎng)占有率高達(dá)75.6%。瑞薩市場(chǎng)占有率28.8%位居第一，NXP為24.9%，英飛凌為21.9%。德州儀器為7.5%，Microchip為7.4%，意法半導(dǎo)體為7.0%。

瑞薩MCU的生態(tài)系統(tǒng)

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之所以集中度如此之高，主要是MCU需要強(qiáng)大的生態(tài)系統(tǒng)支持，強(qiáng)者恒強(qiáng)，大者恒大，后進(jìn)廠家除非通過(guò)收購(gòu)才能切入市場(chǎng)，除此之外自建生態(tài)系統(tǒng)非常困難，幾乎不可能。汽車MCU周邊的生態(tài)系統(tǒng)主要包括編譯器、時(shí)序分析、自動(dòng)代碼生成、仿真與虛擬原型、測(cè)量與標(biāo)定、模擬器、IDE、匯編器。

國(guó)內(nèi)在RTOS領(lǐng)域，ETAS市場(chǎng)占有率高，非RTOS領(lǐng)域，VECTOR很強(qiáng)。此外還有德國(guó)大陸汽車旗下的EB。這兩家都是德國(guó)企業(yè)，ETAS是博世的全資子公司，或許是因此人們覺(jué)得ETAS獨(dú)立性欠缺，VECTOR在中間件領(lǐng)域一直獨(dú)大。

ETAS目前主要產(chǎn)品是RTA-OSEK，一般公司并不會(huì)購(gòu)買源碼的license，用戶只能得到一個(gè)library文件，無(wú)法查看具體實(shí)現(xiàn)，如果OS出現(xiàn)一些問(wèn)題，很難去debug。當(dāng)然大公司會(huì)購(gòu)買源碼，價(jià)格驚人。RTA-OSEK具有一個(gè)適用于汽車ECU設(shè)計(jì)所有領(lǐng)域的生產(chǎn)型實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。它同時(shí)采用了AUTOSAR-OS SC1和OSEK/VDX OS V2.2.3標(biāo)準(zhǔn)，并完全符合MISRA C的要求。它具有一個(gè)尺寸極小而且運(yùn)行速度極快的內(nèi)核，該內(nèi)核適用于20多種微控制器，包含了所有主流MCU。

2010年ETAS就推出RTA-HVR，最早是基于意法半導(dǎo)體的SPC58ecMCU的，在今年5月，瑞薩選中了RTA-HVR，用在其最新的RH850/U2A/B上，也就是今天的主角。順便說(shuō)一句，EB的corbos與NXP的S32G系列合作比較密切。

RH850/U2A與瑞薩網(wǎng)關(guān)芯片S4構(gòu)成Zonal核心架構(gòu)

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瑞薩新一代MCU產(chǎn)品線分布，這里瑞薩沒(méi)有提及儀表和Infotainment領(lǐng)域，因?yàn)槿鹚_在Infotainment領(lǐng)域近乎壟斷，儀表領(lǐng)域市場(chǎng)占有率也超過(guò)50%，因此就無(wú)需提及，反而是在電動(dòng)車底盤(pán)領(lǐng)域，英飛凌一家獨(dú)大，瑞薩主要就是與英飛凌展開(kāi)競(jìng)爭(zhēng)。車身領(lǐng)域則是NXP一家獨(dú)大。

ETAS的RTA-HVR為瑞薩RH850/U2x HW提供了免費(fèi)軟件支持，以滿足嚴(yán)格的汽車功能安全和信息安全要求。RTA-HVR使用瑞薩RH850/U2x系列的硬件虛擬化功能來(lái)創(chuàng)建多個(gè)虛擬機(jī)。每個(gè)虛擬機(jī)都有一個(gè)或多個(gè)虛擬CPU內(nèi)核、一段內(nèi)存空間和一組外設(shè)。每個(gè)虛擬機(jī)"guest"是一個(gè)獨(dú)立的可兼容和可閃存的ECU圖像，可以由第三方建立和運(yùn)送。RTA-HVR支持"bare metal"和AUTOSAR經(jīng)典平臺(tái)guests。RTA-HVR支持靈活的虛擬機(jī)與物理CPU核分配。當(dāng)一個(gè)虛擬機(jī)對(duì)一個(gè)（或多個(gè)）CPU核有唯一的訪問(wèn)權(quán)時(shí)，那么虛擬機(jī)的調(diào)度開(kāi)銷為零。當(dāng)多個(gè)虛擬機(jī)共享一個(gè)CPU核心時(shí)，可以選擇以下其中之一，一個(gè)靜態(tài)配置的輪流調(diào)度器；一個(gè)由RH850U2x后臺(tái)中斷驅(qū)動(dòng)的基于預(yù)約的動(dòng)態(tài)調(diào)度器。

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RTA-HVR使用MPU和Guard概念來(lái)提供虛擬機(jī)之間的空間隔離，為每個(gè)虛擬機(jī)劃分內(nèi)存和外設(shè)空間。此外，RTA-HVR提供了一種稱為"虛擬設(shè)備擴(kuò)展"（VDE）的機(jī)制，允許ECU集成商為特定的Zone ECU定制虛擬和物理外設(shè)之間的綁定。VDE提供了一種在虛擬機(jī)之間共享外設(shè)的安全方式（例如，當(dāng)需要一個(gè)外設(shè)的虛擬機(jī)數(shù)量超過(guò)硬件中的物理外設(shè)數(shù)量時(shí)）。這里的典型例子是以太網(wǎng)控制器、HW安全模塊和看門狗或增加額外的CAN通道。

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為了流暢運(yùn)行虛擬機(jī)，RH850/U2x系列MCU最高擁有8核，最高支持160度溫度上限，足以在燃油發(fā)動(dòng)機(jī)附近運(yùn)作。同時(shí)擁有高達(dá)32MB的代碼Flash，通常超過(guò)1MB就算是大容量MCU，一般如STM32系列其Flash通常不超過(guò)128kB。最高5.1MB的RAM，如此大容量?jī)?nèi)存會(huì)導(dǎo)致成本急劇上升，且設(shè)計(jì)也具備難度，制造方面也具備難度，盡管瑞薩有12英寸晶圓廠，仍然要委托臺(tái)積電生產(chǎn)MCU。

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未來(lái)自動(dòng)駕駛肯定是以電動(dòng)車為基礎(chǔ)的，自動(dòng)駕駛需要對(duì)牽引電機(jī)和轉(zhuǎn)向電機(jī)做出復(fù)雜的算法控制，簡(jiǎn)單的PID肯定是不能用的，能夠落地的主流算法是MPC，即模型預(yù)測(cè)控制法，這對(duì)MCU提出挑戰(zhàn)，瑞薩的RH850/U2x系列特別加入了一個(gè)算法加速器，這是一個(gè)基于RISC-V的加速器，IP來(lái)自NSITEXE的DR1000。NSITEXE是一家日本初創(chuàng)公司，日本的初創(chuàng)半導(dǎo)體公司非常罕見(jiàn)，可謂鳳毛麟角。

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NSITEXE的DR1000C處理器IP通過(guò)了SGS-TÜV的ASIL D級(jí)認(rèn)證，在設(shè)計(jì)中集成了硬件安全特性，使其能夠在沒(méi)有任何外部安全機(jī)制的情況下滿足ASIL D安全要求。這也是業(yè)界首個(gè)符合ASIL D級(jí)認(rèn)證要求的、具有矢量擴(kuò)展功能的RISC-V處理器。其背后功臣還有新思科技的Z01X(功能安全驗(yàn)證仿真注入機(jī)），Z01X解決方案的業(yè)界領(lǐng)先性能是其最先進(jìn)的并發(fā)故障仿真算法的直接結(jié)果。該算法支持每個(gè)可用處理器同時(shí)計(jì)算數(shù)千個(gè)故障，從而顯著提升了驗(yàn)證流程的速度。此外，Z01X解決方案支持ISO 26262汽車功能性安全解決方案所需的所有永久和臨時(shí)故障模型。同樣采用Z01X的還有Mobileye。

英飛凌的第四代TriCore與瑞薩的RH850/U2A近似。

英飛凌的TC4x系列MCU特色

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TC4x瞄準(zhǔn)汽車AI應(yīng)用

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英飛凌采用SIMD矢量DSP來(lái)做AI運(yùn)算

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MCU大廠意法半導(dǎo)體也有類似產(chǎn)品，即SR6G7。

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意法半導(dǎo)體直接用了ARM的NEON擴(kuò)展，做雙精度FPU，做矢量運(yùn)算也差不多，R52的算力倒是可能比瑞薩和英飛凌都高，F(xiàn)lash最高20.5MB，比瑞薩和英飛凌低。

NXP就不為所動(dòng)，它一向不開(kāi)發(fā)太超前的產(chǎn)品，目前MCU系列以S32K為主，F(xiàn)lash最高為8MB。

自動(dòng)駕駛和SOA架構(gòu)下，MCU行業(yè)正發(fā)生巨變，或許是一個(gè)機(jī)會(huì)窗口，RISC-V的出現(xiàn)降低了硬件門檻，難點(diǎn)在于生態(tài)系統(tǒng)門檻很高，寄托收購(gòu)或外部廠家支持都不現(xiàn)實(shí)，中國(guó)MCU要強(qiáng)大，關(guān)鍵是要培養(yǎng)自己的生態(tài)系統(tǒng)。