英飞凌最新MCU之TC4XX系列开始量产 垄断智能驾驶

英飞凌的安全MCU几乎垄断智能驾驶领域，基本上国内95%以上的智能驾驶系统使用英飞凌的TC39X系列MCU做最后的安全控制，即管理底盘执行器。它也是汽车MCU里最昂贵的一种。也有少数厂家如蔚来不仅在智能驾驶领域使用，在座舱领域也有使用。目前，NXP主攻网关领域的MCU，瑞萨主攻座舱，意法半导体主攻车身。

TC4XX系列早在2021年底就已经宣布推出，但量产是在2024年初。主要原因是TC4XX系列MCU使用了RRAM，即阻变型NVM存储器，其生产工艺难度极高，英飞凌到2022年11月才和台积电完成RRAM的量产研发，又经历一年，将RRAM和逻辑器件结合，最终在2024年初开始量产。

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汽车MCU尤其是高端MCU的难点不在MCU本身，而在MCU的制造，这也是为什么NXP、瑞萨、英飞凌和ST垄断高端MCU的原因之一。高端MCU需要的NVM内存容量较高，至少5MB以上，高的可达32MB。NVM或者说Flash闪存的制造工艺与逻辑器件的制造工艺差别很大，将两者结合在一颗die中难度不低，NVM的密度低，意味着不做技术革新，其die size尺寸很大，也就是说技术能力差的厂家的成本会很高。这也是为什么数字芯片中的AI芯片可以到3纳米，而同为数字芯片MCU目前最顶级也只能做到16纳米的原因。

随着汽车软件系统的日益复杂，汽车MCU需要的NVM存储容量越来越高，因此大家都在考虑新技术来制造NVM。瑞萨的技术方向是STT-MRAM，2022年6月在VLSI大会上宣布推出STT-MRAM的22纳米制造工艺技术，但至今未量产。2023年5月，NXP与台积电合作领先一步推出16纳米的FinFET工艺的MRAM，相信也是STT技术，NXP下一代MCU将会采取此项技术，预计量产在2024年底或2025年初。意法半导体的方向是PCM，相变存储，也是计划在2024年量产。英飞凌则选择RRAM技术。

三种技术比较，PCM RESET后的冷却过程需要高热导率，会带来更高功耗，且由于其存储原理是利用温度实现相变材料的阻值变化，所以对温度十分敏感，无法用在宽温场景。为了使相变材料兼容CMOS工艺，PCM必须采取多层结构，因此存储密度过低，在容量上无法替代NAND Flash，成本偏高。不过意法半导体表示自己已经解决了这些缺点。MRAM虽然性能较好，但临界电流密度和功耗仍需进一步降低。目前MRAM的存储单元尺寸仍较大且不支持堆叠，工艺较为复杂，大规模制造难以保证均一性，存储容量和良率爬坡缓慢。

再有就是RRAM技术，其缺点是器件级变化性。器件级变化性直接关乎芯片的可靠性，但由于RRAM器件状态的转变需要透过给两端电极施加电压来控制氧离子在电场驱动下的漂移和在热驱动下的扩散两方面的运动，使得导电丝的三维形貌难以调控，再加上噪声的影响，因此容易造成器件级变化性。不过台积电解决了这个问题。貌似是几大MCU厂家在竞争，实际都是依靠台积电，瑞萨的MCU也是台积电生产的。

TC4XX系列MCU内部框架图

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回到TC4XX系列MCU本身，现在可以为客户提供TC49x以及TC4Dx样片。

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相比TC39X系列，TC4XX系列有几个亮点。

首先是无与伦比的安全性。

PUF工作原理

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基于RRAM的物理不可克隆（PUF：Physical Uncloneable Function）芯片相较于传统的PUF具有随机性更强、工作温区更宽、单元面积更小和可刷新等诸多优点，具有广阔的应用前景。硬件安全技术不局限于传统的密码芯片研究，而是芯片和固件的密不可分。硬件安全包括由证书和加密密钥提供的保护，还需要一个物理安全锚，以确保这些密钥和证书不能复制到假冒的非法设备中，提供这种安全锚的技术是物理不可克隆函数(physical unclonable function，PUF)。PUF 是一种物理结构，可以从中生成设备唯一且不可克隆的加密根密钥。与利用半导体制造过程随机性的安全电路相比，利用 RRAM 随机切换机制和内在可变性的安全电路对各种类型的攻击更具鲁棒性。PUF 利用物理随机性和制造可变性来提供安全源，RRAM 的随机机制为 PUF 提供了真正的随机来源。

再有就是信息安全，即ISO21434，联合国欧洲经济委员会(UNECE)颁布的UN R155法规旨在解决智慧联网汽车日益受到关注的网络安全问题。该法规自2022年7月开始生效，要求车厂在其产品和流程中采用安全设计(Security-by-design)方法。如要将新车销售到R155法规所涵盖的市场，车厂必须取得每种车型的有效网络安全管理体系(CSMS)合规认证。为了获得该认证，车厂必须在整个供应链中实施网络安全实务，进而降低车辆在全生命周期(从初始概念到车辆报废)内遭受攻击的总体风险。

TC4XX系列特别增加了PPU，可以对应多个服务。

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TC4XX系列MCU特别添加针对AI运算的PPU，即并行处理单元。

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TC4XX系列MCU的AI运算例子

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TC4XX系列MCU的PPU实际就是一个SIMD的矢量DSP。

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PPU专门用于并行计算。

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TC4XX系列可以支持小型虚拟机，也支持CPU虚拟化。

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TC4XX系列的典型应用，包括对AUTOSAR的支持。

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另一大亮点是关于软件开发，即虚拟原型和模型生成，TC4X系列MCU开发之初就和Synopsys和Mathworks合作。

HSP支持包

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AI领域，基于模型的开发，可靠性、成本和开发周期都比手动要好很多。

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新思科技有ARC MetaWare开发工具对应TC4XX系列。

TC4XX系列自然是为Zonal E/E中央计算架构而来的，网络方面得到了加强，包括以太网带宽增加到5Gbps，支持最新的10BASE-T1型以太网，也支持超高带宽的PCIe，同样支持CAN的升级版本CAN-XL。不过TC4XX系列仍然是28纳米工艺。

英飞凌一枝独秀，NXP和瑞萨反应明显很慢，意法半导体则对高端产品兴趣不大。TC4XX的出现，让英飞凌智能驾驶或者说底盘MCU的垄断地位更加稳固。

审核编辑：刘清