MCU如何驱动软件定义汽车创新

软件定义汽车（SDV）已占据汽车行业数字化革命的中心。如果说SDV是“装上车轮的智能手机”，那么其幕后核心——微控制器单元（MCU）则是当之无愧的“汽车数字大脑”。这些体积微小但功能强大的芯片，大小从指甲盖到米粒不等，控制着从刹车系统到环境照明等方方面面。

为深入剖析这一趋势，格罗方德汽车处理业务总监Wael Fakhreldin在本文中探讨了塑造下一代汽车架构变革方向、MCU不断变化的需求，以及格罗方德如何与汽车客户携手创新，一同突破技术边界。

Q:从宏观视角出发，推动新架构需求的最大汽车挑战是什么？

消费者期待车内体验如智能手机般流畅，而汽车制造商则致力于让驾驶尽可能安全。但在传统架构中，每项新功能都需要配备专门的硬件，这给原始设备制造商（OEM）带来了巨大的挑战和成本，因为他们需要集成多个不同的控制单元。而推动汽车向更智能、更互联的方向发展，需要全新的架构，使驾驶员能够即时访问新功能，而非依赖昂贵的硬件升级。

如今，这些压力促使汽车行业加速向SDV转型，SDV能够迅速推出新功能，以满足消费者期望和市场需求，无需进行物理更新。这一转型依赖于高弹性、可扩展的高性能计算平台，以及无缝的空中下载技术（OTA）支持。

Q：当前最有前景的汽车架构是什么？未来几年它们将如何演变？

SDV区域架构正在提高效率和性能的标准，且通过多种方式实现这一点。例如：1）根据车辆内的物理位置而非功能来整合控制与处理功能；2）降低布线复杂性和整车线束重量。近年来，跨域区域架构因其与现代车辆物理布局的契合度而受到青睐。每个区域控制器管理不同的车辆域功能——从车身、舒适系统、底盘控制到网关——不同的区域控制器通过速度高达10Gbps的快速以太网相连，构成车辆的 “脊柱” 。

中央计算架构虽预计要到2030年才会普及，但技术布局已启动。这种方法引入了一个高性能计算集群来协调所有车辆功能，通过聚合器将来自各种传感器和组件的数据路由到中央处理器。如汽车级芯片粒技术之类的半导体创新将成为关键，支撑消费者期待的实时软件更新需求。

Q：从算力角度看，区域架构MCU提出了哪些要求？

SDV的智能程度取决于其背后的架构。简单来说，没有区域控制器单元（ZCU），SDV就无法充分发挥其潜力。这些控制器按物理集群而非功能整合车辆功能。这一转变使MCU成为焦点，并推动了MCU性能边界的拓展——需要更快的处理速度、连接更多设备，并支持边缘人工智能（AI）等新兴功能。

更强算力：MCU需要处理更多的实时计算任务。芯片制造商正在寻求使用运行在更高频率下的不同逻辑核心阵列。他们正转向更先进的工艺节点，并引入不同数字核心的虚拟化概念，使MCU能够灵活高效地管理多个任务。

输入/输出过载：现代汽车拥有超过90个智能传感器和800个传感器及负载，这要求MCU集成高密度数字/模拟接口，以应对大规模的数据处理任务。

内存性能提升：嵌入式非易失性存储器（eNVM）容量需达到32MB甚至更大，速度需更快，以支持快速切换的数字核心，同时不增加延迟或造成瓶颈。

高速通信：车载数据量激增，MCU需快速传输这些数据。高速以太网和串行器-解串器（SerDes）接口等技术正成为标准，以确保区域之间以及区域与复杂车辆传感器之间的可靠通信。

格罗方德先进制成，如12LP+ MRAM和22FDX MRAM，正助力芯片制造商和支持当今汽车的复杂处理，提供高速高能效的车载控制器。

随着区域算力的提升，模拟任务逐渐转移到车辆边缘。如今，汽车芯片制造商正在将这些功能——电机控制器、音频放大器，甚至通信接口——集成到格罗方德130BCD或55BCD技术平台上的单个MCU中。

Q：车辆中的AI技术正迅速发展，边缘AI如何重塑SDV的MCU需求？

边缘AI正驱动延长电池寿命、座舱感知、语音交互和智能电机等创新功能。这种方法降低了复杂性、成本和功耗，同时通过本地处理信息而非云端处理，增强了用户隐私保护。在AI加速不发生在中央计算机或ZCU的情况下，终端节点需要嵌入AI加速功能来执行这些任务。

为适应这一趋势，MCU正在通过提供专门用于AI加速的IP：如用于运行复杂数学模型的图形处理单元（GPU）、用于语言和通信模型的语言处理单元（LPU），以及用于转换实时信号的数字信号处理器（DSP）。对于更繁重的工作，MCU还集成了更快、更可靠的接口，以连接外部存储器，确保能够处理高级AI应用所需的大量数据。

画面呈现俯瞰视角（由无人机从空中拍摄）：一辆自动驾驶汽车在城市高速公路上行驶，并超越其他车辆。可视化概念：传感器扫描前方道路以探测其他车辆和限速信息。

Q：MCU如何演变以确保SDV在安全、保障和功能性等方面达到最高标准？

功能安全是汽车设计的核心，但向SDV的转型增加了复杂性。现代MCU在确保系统免受干扰方面发挥着至关重要的作用，其方式是通过隔离安全关键系统与非安全关键功能。这确保了安全关键系统（如转向系统、刹车和安全气囊）能够无延迟地访问所需的计算资源。MCU还可以通过支持先进的错误检测，触发故障安全或故障运行机制，并采取正确的纠正措施来确保乘客安全。

安全驾驶离不开网络安全。MCU负责保护OTA更新，验证新软件镜像来自可信来源，并保护节点之间的通信。随着更多关键安全功能变得由软件驱动，车辆盗窃、网络攻击和未经授权通信的可能性也随之增加。

Q：MCU如何实现快速连接和低功耗的？

连接性是SDV的基石，而MCU则是连接从区域控制器到高级驾驶辅助系统（ADAS）功能以及车内体验的核心。向简化网络架构（如IP到边缘）的方向发展，减少了布线复杂性，并消除了对多个网关的需求，使数据能够直接从传感器以低延迟传输到MCU。为支持这一点，MCU正在采用以太网等技术，该技术可以高达10Gbps的速度传输数据，以及采用具有多drop技术的10BaseT1s，以降低系统成本和功耗。

电动汽车拥有更低的功耗和更长的续航里程是市场所需，MCU正是推动这一高节能汽车未来的引擎。格罗方德先进的22FDX+平台能够提供极低的功耗泄漏，引领着更高性能、更低功耗汽车的未来。

Q：格罗方德如何支持下一代汽车MCU，赋能SDV未来？

格罗方德可扩展的汽车级认证平台能够满足多样化的SDV需求，从计算密集型、模拟密集型或模拟轻量型区域MCU到计算轻量型、模拟密集型末端节点的MCU。格罗方德各个平台都针对其性能类别和相关应用，提供了广泛的汽车级认证IP组合。

在MCU替代品的认证过程漫长且复杂的情况下，韧性是成功的关键要素。这就是为什么格罗方德建立了全球团队和制造网络，确保我们的客户能够获得最先进的MCU技术。这种方式使我们能够支持全球领先的汽车制造商，共同迎接SDV架构的新篇章。

Wael Fakhreldin担任格罗方德汽车处理业务总监一职。他深耕汽车领域，专注汽车微控制器、微处理器、人工智能加速器以及芯片组（chiplets）技术研发，推动下一代汽车电子架构创新。