汽车芯片IP核：实现片上系统高效性能

作者：Stephan Bäro Andreas König

集成半导体电路的快速发展推动了汽车自动化、电动化、互联化的趋势和相关电子电气架构的发展。在芯片架构日益复杂，设计工作持续增加的背景下，采取模块的标准化及功能的复用化等策略是很有必要的，这同时也将有利于成本的控制。

片上系统（SoC）内融合了一个或多个微控制器内核，兼具许多其他的功能模块，以便在尽可能小的芯片面积上实现更多功能。然而，随着集成度的不断提高，开发工作量也随之增加：半导体技术的结构宽度越小，新芯片的设计工作量就越大——随之而来的还有高达数亿欧元的开发费用。

因此，半导体设计越来越多地转向预开发模块，即IP（Intellectual Property）核，它可以轻松集成到 SoC 中，极大地减少工作量。这些 IP 核通过 VHDL 等硬件描述语言构建，用户可以在获取IP授权后运用到自己的产品设计中。

相较于消费类或工业类应用的成熟，例如图形处理器、以太网开关或内存控制器等，在汽车领域，迄今为止只有一小部分专用IP核可以满足汽车应用的需求并能够在市场上站稳脚跟。

核心功能的标准化

为了减少开发工作量及成本，IP核允许硬件端核心功能的标准化。得益于这种兼容性，通用IP核使汽车制造商在选择半导体元件时具有更大的灵活性，在选择汽车电子设备中的ECU时也是如此。这些核心组件在汽车中新电气电子（E/E）架构的定义阶段扮演着特殊的角色，在未来，他们将与围绕微控制器、SoC和微处理器设计的软件平台和应用程序进行联合设计。（图1）

图1为跨供应商的多阶段链示例：市场需求和IP核绑定，无论是 OEM（汽车制造商）还是Tier 1（系统供应商）的需求，都取决于IP核用于一种或多种应用。IP供应商将这些特定条件下设计的、始终具有标准化核心功能的IP 核提供给半导体制造商进行设计（如有必要，也可以提供单独的版本）。Tier1和越来越多的OEM直接将设计好的半导体组件应用于他们的车辆ECU。产业链竞争无疑会带来创新，但IP核会保障核心功能的标准化。

IP核在汽车SoC（片上系统）的应用

IP核在汽车行业最著名的例子大概是英国公司ARM的处理器核。ARM提供基于RISC（精简指令集）架构计算内核的独立许可证，支持全球范围内的半导体制造商开发自己的SoC，使其无需自行开发专有内核。另一种选择是使用开放标准的 RISC-V开源指令集架构，它拥有来自多个供应商的开源内核，在很大程度上可以自由使用。两相比较，在质量保证和开发可靠生态系统方面，后者用户需要承担更高的成本。

IP核的另一个应用领域是车辆中的安全数据传输。特别是在实施标准化的传输协议时，使用现成的IP核不仅大大减少了半导体制造商的开发工作，也更容易确保与相关行业标准的兼容性和一致性。对IP功能的广泛验证，以及按照汽车行业规定的去证明其安全性和互通性的认证工作量是非常巨大的。如果每个半导体制造商需要进行单独验证，这将带来相应的组件成本的大幅增加。

在通信总线领域，汽车IP的应用是通过各个IP供应商提供的CAN控制器来实现的。在超过 10 Mbit/s 的标准化网络技术这一领域中，博世增强型 CAN XL IP核已经进入市场，作为 10 BASE T1S 以太网的强有力竞争者（如图2）。

CAN XL延续了低成本高性能的 CAN 网络的优势：包括灵活的拓扑结构和成本与带宽之间的权衡，以及车辆中面向未来通信协议的最新功能，如用于各种隧道传输协议的高达2048字节的大型有效载荷，安全传输以及服务质量机制。

实时的关键控制和驱动：推动汽车IP的开发的不仅仅是设备开发过程中实现协同作用与降低成本的诉求，也是汽车行业对半导体设备架构中实现标准化的期望。双供应商甚至多供应商策略在半导体行业，尤其是在产品供不应求时是必需的，因此将微控制器、微处理器和SoC架构中那些特别影响软件应用实施部分的标准化刻不容缓。只有这样，才能实现跨供应商的器件快速替换。

这方面的一个经典案例是博世的通用定时器IP模块（GTM），它已经被各半导体制造商用于微控制器中。在近似硬件编程的关键时间控制应用中，GTM使得在大量的微控制器中相同应用的使用成为可能，从而大大减少了移植的工作量（图3）。GTM IP 的可扩展结构和通用性适用于处理任何数字输入信号，也能为执行器生成最复杂的控制信号。它可以用于各种各样的应用领域，并将定制的IP版本集成到半导体中--从内燃机和电力驱动中的电机控制，到广泛的车身和底盘应用，直至可以模拟串行接口。

在汽车领域开发高效 IP 的另一个应用领域是复杂数学函数的计算，例如以嵌入式 AI（人工智能）、机器学习或硬件加速器的形式，在运行时灵活、动态地适应复杂数学算法的实现。目前可用的IP仅适用于用SIMD结构加速的数学运算，而且通常很难被集成到嵌入式系统的调度中。

目前，几家半导体制造商正在推出一种能够克服这种局限的IP。如果没有数据流结构（DFA）IP，各种ECU很快就会需要千兆赫处理器。在许多情况下，比起昂贵得多的微处理器，带有DFA的微控制器（图4）将成为更有吸引力的选择，使OEM和Tier1能提前为之后的算法做好准备。

另一个应用领域是跨领域和跨协议的数据处理：未来的电子电气架构将同时使用多种通信协议，必须确保这些协议之间的数据交换具有高带宽和可靠性，例如保障数据的低延迟和低抖动。只有这样，我们才能在ECU中自由地设置各个功能。所有功能集中在整个ECU中（图5），因此需要在多种协议之间进行转换，如不同节点上的车载电脑、区域控制器和网关，就分别使用了LIN、CAN和以太网协议。当基于软件的解决方案达到极限时，就会导致零星数据包的丢失，但基于硬件的解决方案却能够在车辆的各个领域进行快速可靠的实时通信。要应用基于硬件的解决方案，不同ECU中的标准化实施是其中的关键。未来，像增强型数据引擎（EDE： Enhanced Data Engine）这样的IP核将使半导体供应商能够为不同的产品如微控制器、片上系统和网络交换芯片提供标准化的通信。由车辆传感器发送的CAN/LIN数据包以隧道形式通过以太网主干转发。根据应用中的具体需求，EDE IP核可以与内部或外部物理接口（收发器）相结合。

成功整合的先决条件

除了定义和实现汽车IP外，汽车行业不断增长的需求对IP供应商来说也是一个重大挑战。将IP核无缝集成到相应的微控制器中需要一长串包含IP源代码的交付物，通常以VHDL或Verilog硬件描述语言的形式进行交付：

· 使终端用户能够理解和使用 IP 功能的交付物，例如用户指南、正式的寄存器描述

· 使半导体制造商能够将该IP集成到各自的微控制器或片上系统中的交付物，例如集成指南、合成参数、集成测试结果

· 用于证明合格的质量和安全性的交付物，例如验证计划和相关的代码覆盖率、证书

近年来，质量保证和功能安全方面的重要性大大提高。现代验证方法如通用验证方法（UVM），使得IP供应商能够在验证环境中实现代码和功能覆盖率方面的目标值。此外，它们为将IP供应商的验证活动集成到半导体制造商的微控制器验证中提供了可能，从而实现一个完整的端到端的功能覆盖。这些验证活动通常由IP验证来补充，例如通过FPGA来实现，这使得真实环境中对功能进行早期测试成为可能。

对于IP供应商和微控制器制造商来说，通过认证来确保和证明的功能安全会产生相当大的工作量。虽然IP通常是独立的，即所谓的“脱离背景的安全要素（SEooC）”，但如果没有进一步的系统级保护，很少能达到更高的完整性水平，如满足ASIL-D（D级汽车安全完整性）。在IP开发期间，必须遵守相关标准的规范，如ISO-26262。这使得IP供应商需要向半导体制造商提供必要的如FMEDA数据，安全手册和证书等文件和ISO-26262验证证明，便于制造商确保产品在系统层面符合相应的汽车安全完整性等级。

生态系统是成功的关键

IP核成功的另一个不可忽视的组成部分是相关的生态环境（图6），这不完全由IP 核的创始人提供，也需要通过与现有供应商的合作来实现。接受和无障碍使用IP核的先决条件是要有丰富的开发环境，包括合适的工具，编译器、软件或驱动程序，以及有效的资料和培训。值得一提的是，将IP核整合到虚拟仿真平台上已经变得越来越重要。因此，用于IP核建模的System C或类似的建模语言成为了核心要求。