前言：在整個(gè)智能駕駛解決方案中，MCU 的角色主要是配合感知芯片，根據(jù)車輛當(dāng)前的運(yùn)動(dòng)狀況和感知目標(biāo)，輸出的一些信息給底盤系統(tǒng)，因此，保證 MCU 在智能駕駛傳感器和域控制器應(yīng)用中的安全至關(guān)重要。

為此，我們請(qǐng)到英飛凌大中華區(qū)智能駕駛產(chǎn)品經(jīng)理余辰杰做來分享：MCU 在智能駕駛傳感器和域控制器中的應(yīng)用。

分享實(shí)錄

余辰杰：我主要分享一下 MCU 在智能駕駛傳感器和域控制器中的應(yīng)用。

除去執(zhí)行器的控制，ADAS/AD 系統(tǒng)可以簡(jiǎn)單分為兩大塊，傳感器和計(jì)算平臺(tái)。無論是在傳感器還是計(jì)算平臺(tái)上的SOC 的算力有多高，以現(xiàn)在的架構(gòu)來看，MCU仍是不可或缺的。

我主要分享分幾部分：

1.簡(jiǎn)單介紹英飛凌；
2.針對(duì)這一代英飛凌 TC3 系列單片機(jī)，做個(gè)系統(tǒng)性的介紹，同時(shí)提及TC4系列上的一些升級(jí);
3.AURIX 在 ADAS中的應(yīng)用;
4.英飛凌MCU如何配合 SOC 廠商在域控制器的應(yīng)用;
5.在AI SOC 廠商越來越多的集成實(shí)時(shí)處理器的時(shí)候，是否還需要一顆高算力的 ASIL - D  MCU。

一、英飛凌是一家頭部的汽車半導(dǎo)體公司，市面上絕大多數(shù)的汽車廠商的控制器里都或?qū)蛏龠\(yùn)用著英飛凌的方案。

二、英飛凌的TC3 系列單片機(jī)。

英飛凌的單片機(jī)不只在 ADAS 中有應(yīng)用，幾乎橫跨 了所有的領(lǐng)域，比如在強(qiáng)調(diào)功能安全的系統(tǒng)中，包括動(dòng)力總成、新能源、發(fā)動(dòng)機(jī)控制。同時(shí)也被廣泛應(yīng)用于自動(dòng)駕駛、車身控制、影音娛樂、儀表等應(yīng)用中。

焉知解釋：

單片機(jī)，全稱是「單片微型計(jì)算機(jī)簡(jiǎn)稱單片機(jī)（MCU）」，是典型的嵌入式微控制器。

單片機(jī)是一種集成電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器 CPU 隨機(jī)存儲(chǔ)器 RAM、只讀存儲(chǔ)器 ROM、多種 I/O 口和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)時(shí)器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動(dòng)電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個(gè)小而完善的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

簡(jiǎn)單地說，單片機(jī)就是一個(gè)小計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

在規(guī)劃一代單片機(jī)的時(shí)候，半導(dǎo)體廠商要考慮單片機(jī)覆蓋的各種應(yīng)用，要從整個(gè)工程規(guī)劃上想清楚， 英飛凌因?yàn)橛卸嗄甑墓こ袒?jīng)驗(yàn)。比如，英飛凌現(xiàn)在 40 nm TC3 系列平臺(tái)，幾乎所有derivative的內(nèi)核和外設(shè)的IP都是相同的，絕大多數(shù)底層軟件可以復(fù)用，可以讓同一系列處理器在不同的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)通用，讓主機(jī)廠和 Tier 1 大幅節(jié)省開發(fā)成本。

提到英飛凌的車規(guī)級(jí)MCU AURIX，大家的第一印象是功能安全。其實(shí)除了功能安全之外，AURIX對(duì)信息安全也做了精心的設(shè)計(jì)。AURIX 2G中集成了一個(gè)ARM 內(nèi)核，配合一些專用的硬件資源來實(shí)現(xiàn)滿足Evita Full標(biāo)準(zhǔn)的安全。稍微科普一下，從整個(gè)汽車單片機(jī)領(lǐng)域來看，大部分供應(yīng)商正在轉(zhuǎn)向 ARM，基于M核或者 R 核的架構(gòu)來做系統(tǒng)開發(fā)。不可否認(rèn)，ARM具有很好的生態(tài)系統(tǒng)，但在日益復(fù)雜的國際環(huán)境下，IP的產(chǎn)地也成為一項(xiàng)重要的考量標(biāo)準(zhǔn)。英飛凌AURIX產(chǎn)品線是少數(shù)至今仍然堅(jiān)持自有內(nèi)核IP的Fabless。

我們知道傳統(tǒng)汽車電子控制器是圍繞著MCU 來開發(fā)的，隨著ADAS裝載率的提高，高算力的AI SoC開始登上汽車電子的歷史舞臺(tái)。在 ADAS/AD 系統(tǒng)中，SOC（系統(tǒng)級(jí)芯片）主要是通過機(jī)器學(xué)習(xí)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)的方法來做感知，分類的，但跟底盤交互的地方是高實(shí)時(shí)性的，這部分任務(wù)不會(huì)部署在高算力平臺(tái)上，而仍需要MCU來完成。

來看一下，英飛凌 TC3 系列 MCU ，在 TC3XX 中 TC3 是品類名，第一個(gè)「 X 」代表系列，相當(dāng)于寶馬 3 系、5系，數(shù)字越大整體的配置越高。

這個(gè)系列中目前最高規(guī)格的是 TC39，然后依次往下，這個(gè)系列的優(yōu)勢(shì)是資源和性能的可拓展性，軟硬件的兼容性、以及更硬件化的功能安和信息安全。現(xiàn)在很多全球知名的OEM，在準(zhǔn)L3 級(jí)別的域控制器平臺(tái)上，都是加入 AURIX TC39X來做整個(gè)板級(jí)的功能安全，從 TC39 X到 38X、37X 至 32X，大部分管腳資源都可以無縫兼容，這也方便了Tier1做早期的跨平臺(tái)，跨應(yīng)用的MCU選型規(guī)劃。

跟上一代TC2系列對(duì)比，TC3 系列無論是在算力，內(nèi)存，通訊接口，功能安全機(jī)制，硬件加密上都有顯著的提升。

焉知解釋：

ARM 處理器有三大產(chǎn)品線：一，Cortex - A 系列高性能應(yīng)用處理器；二，Cortex - M系列微控制器；三，Cortex - R系列實(shí)時(shí)處理器。

從內(nèi)核來看，越來越多的廠商采用 ARM 架構(gòu)，其中低端的實(shí)時(shí)控制器會(huì)基于的Cortex - M系列，對(duì)于高實(shí)時(shí)性高功能安全要求的場(chǎng)景，更多用到 R 系列內(nèi)核。英飛凌一直到下一代TC4系列都沒有考慮采用基于ARM核作為主計(jì)算單元的計(jì)劃。我們認(rèn)為在功能安全領(lǐng)域，基于Tricore的AURIX系列已經(jīng)被數(shù)以百計(jì)的Tier1和OEM所驗(yàn)證，其仍有很強(qiáng)的生命力。

對(duì)比我接下去會(huì)提到的越來越多的SoC會(huì)在die上加入一些實(shí)時(shí)處理器。作為MCU供應(yīng)商，英飛凌在下一代的TC4系列中也會(huì)加入一個(gè)輕量級(jí)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速內(nèi)核，我們稱之為PPU，parallel processing unit, 是基于Synopsys的ARC EV的內(nèi)核深度優(yōu)化的。

正如SoC中加入realtime core并不可能真正意義上取代獨(dú)立的MCU，我們引入PPU的目的也主要是從功能安全的角度考慮，針對(duì)safety critical的任務(wù)，來分擔(dān)一些 SoC芯片中AI算力，互為備份。舉一個(gè)例子來說，PPU可以對(duì)成象雷達(dá)進(jìn)行聚類跟蹤等后數(shù)據(jù)處理，來保證safety相關(guān)的ADAS/AD功能在SoC失效的情況下也可以借助ASIL D MCU做到fail safe 甚至fail operational。

在通信接口上，TC3具有主流的CAN, LIN, CANFD, 百兆和千兆以太網(wǎng)，以及針對(duì)雷達(dá)應(yīng)用的LVDS接口，我們稱之為RIF, Radar Interface。請(qǐng)注意我這里提到的AURIX上的LVDS是用來和77G雷達(dá)MMIC的基帶信號(hào)做通信的，而非為用于攝像頭視頻信號(hào)。單片機(jī)的算力是不足以處理視頻信號(hào)的。而目前主流的雷達(dá)系統(tǒng)卻都是依靠單個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)完成信號(hào)和數(shù)據(jù)處理的。

在下一代的TC4中，在更高帶寬的通信接口中，我們會(huì)引入五千兆以太網(wǎng)，以及專門為提高和SoC通信速率的PCIE接口，大家知道目前在主流的ADAS域控制器架構(gòu)中SoC和MCU之間通信仍舊是依靠高速SPI，在考慮信號(hào)完整性的情況下，最高速率不過幾十兆。PCIE的引入會(huì)大大提高SoC和MCU之間數(shù)據(jù)交換的效率，屆時(shí)SoC和MCU之間的高速通信是基于面向服務(wù)的SOMIP的以太網(wǎng)，還是更面相底層的PCIE協(xié)議棧，相信都會(huì)有各自的應(yīng)用場(chǎng)景。

在低速接口中，我們也會(huì)引入一個(gè)新的10兆以太網(wǎng)。目前整車網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，在CANFD，到百兆的以太網(wǎng)之間其實(shí)是一個(gè)真空地帶。我們認(rèn)為以后10兆以太網(wǎng)會(huì)在整車網(wǎng)絡(luò)中有其一席之地。

三、AURIX 在 ADAS 當(dāng)中的應(yīng)用。

我今天所講的僅僅是基于目前的架構(gòu)，因?yàn)闆]人知道 5 年以后 L2、L3的整個(gè)傳感器架構(gòu)長(zhǎng)什么樣的，這個(gè)變化太快。但一般都會(huì)認(rèn)為 L2 配備雷達(dá)和攝像頭，沒有激光雷達(dá)，L3 級(jí)別的標(biāo)志就是會(huì)加入激光雷達(dá)，其實(shí)英飛凌也有激光雷達(dá)的MEMS振鏡，但我們覺得真正大規(guī)模使用激光雷達(dá)的商業(yè)條件還不具備，L3 沒有那么快到來。

從純粹的圖像分辨或者識(shí)別的意義來說，激光雷達(dá)肯定不及攝像頭好，因?yàn)槿鄙賀GB信息是硬傷。但激光雷達(dá)的深度信息又是攝像頭不具備的。

不管馬斯克怎么看激光雷達(dá)，甚至很多半導(dǎo)體巨頭也不看好激光雷達(dá)，但我個(gè)人認(rèn)為激光雷達(dá)有其存在的必要性，相對(duì)于現(xiàn)在流行的4D毫米波雷達(dá)的概念，角度分辨率做到0.X的數(shù)量級(jí)，和激光雷達(dá)正在力爭(zhēng)達(dá)到 0.0 1這個(gè)級(jí)別的數(shù)量級(jí)是沒有可比性。

上一代的雷達(dá)是基于多芯片的架構(gòu)的，要做出一個(gè)毫米波雷達(dá)的系統(tǒng)需要外置的鎖相環(huán)，分立的收發(fā)芯片，獨(dú)立的ADC, 做FFT處理的DSP芯片等。而目前這一代雷達(dá)都是集成方案，把收發(fā)通道，鎖相環(huán)，ADC成到一顆芯片上MMIC上，把下變頻，采樣后的Baseband信號(hào)通過LVDS/MIPI傳輸給帶有FFT硬件加速器的MCU，再配一個(gè)可以同時(shí)給MCU和MMIC供電的電源芯片就是一個(gè)系統(tǒng)了。

在下一代AURIX TC4中，針對(duì)雷達(dá)信號(hào)的跟蹤聚類等任務(wù)，英飛凌集成了一個(gè)叫 PPU 的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的加速器來完成。

最后提一下現(xiàn)在很火的4D雷達(dá)，或者叫成象雷達(dá)，級(jí)聯(lián)雷達(dá)。將來在L3以上的雷達(dá)傳感器會(huì)成為一個(gè)更標(biāo)準(zhǔn)化的模塊，比如通過百兆以太網(wǎng)吐出FFT Peaks給到域控制器中做后處理。當(dāng)然后面會(huì)提到，這個(gè)域控制器中仍就需要safety MCU來做安全相關(guān)任務(wù)的SoC算力的互為冗余或備份，而雷達(dá)信號(hào)的數(shù)據(jù)處理便屬于這一類任務(wù)。

四、英飛凌如何配合 SOC 廠商在域控制器的應(yīng)用。

一般是在L2+以上的智能汽車才會(huì)有獨(dú)立的域控制器。因?yàn)榈偷燃?jí)的L1/L2沒有路徑規(guī)劃功能，且傳感器的數(shù)量也有限，或是在雷達(dá)或是在攝像頭傳感器端的MCU就足夠完成目標(biāo)級(jí)的融合和決策任務(wù)。

當(dāng)前的ADAS/AD電子電器架構(gòu)中，一部分主機(jī)廠又劃分為高低速域。高速域負(fù)責(zé)高速ADAS功能，如AEB，ACC等。低速域則負(fù)責(zé)APA, AVP等功能。另一部分外主機(jī)廠則將所有功能都放到一個(gè)域控制器中。我相信，隨著SoC算力的提高，主機(jī)廠的降本需求，高低速域合二為一是大趨勢(shì)。

無論是高速，低速還是合二為一的大型域控制器，目前主流的L2+和L3的域控制器都是由一個(gè)或兩個(gè)SoC加上一顆Safety MCU來完成的，其中SoC負(fù)責(zé)感知，全局路徑規(guī)劃等，MCU則負(fù)責(zé)目標(biāo)級(jí)的傳感器融合和實(shí)時(shí)性要求很高決策任務(wù)。下面我會(huì)展開講。

五、在 SOC 廠商越來越多的集成實(shí)時(shí)處理器的時(shí)候，在AD域控制器中是否還需要一顆高算力的 ASIL - D  MCU。

答案是肯定的，現(xiàn)在的 AI SOC 算力豐富，有 Cortex-A 核、NPU、GPU等。更有一些集成一個(gè)MCU級(jí)別的實(shí)時(shí)鎖步核，稱之為safety island。它似乎在灌輸一個(gè)概念，SoC里面加了一對(duì)鎖步核就是功能安全ASIL-D了。其實(shí)一對(duì)鎖步的實(shí)時(shí)核跟ECU系統(tǒng)，甚至僅僅是芯片自身達(dá)到 ASIL – D等級(jí)都不是一個(gè)概念。

而且受制于die size，成本等原因，目前一些safety island上只集成了非常有限的RAM。以一個(gè)Lockstep R5F附加1M SRAM為例，如果希望程序都運(yùn)行在RAM中，程序的體積受到明顯制約。其實(shí)不單單是ADAS/AD，現(xiàn)在越來越多的safety critical的實(shí)時(shí)中，底層軟件傾向于選擇架構(gòu)龐大的AUTOSAR BSW，應(yīng)用層的實(shí)現(xiàn)靠模型來搭建，在AD域控制器中的decision maker部分的應(yīng)用層包括了軌跡驗(yàn)證和整車動(dòng)力學(xué)模型，以及從軌跡到扭矩/角度等駕駛命令的分解。雖然這些本質(zhì)上邏輯類的任務(wù)不會(huì)太占用太多的memory，但是一上AUTOSAR的底層，整個(gè)軟件的size一下子就上去了。其次，如果借助外部Flash，程序讀取的效率又受限于access latency和內(nèi)部cache的大小。

這些還只是從Safety Computing的角度來看，下面我們?cè)購腟afety Suprevisor或者Safety Path的角度來看獨(dú)立的Safety MCU的價(jià)值。

以一個(gè)面向未來的L3域控制器為例，傳感器的輸入輸出就包括了百兆以太網(wǎng)傳進(jìn)來的4D級(jí)聯(lián)雷達(dá)的FFT Peaks，千兆以太網(wǎng)進(jìn)來的Lidar點(diǎn)云，LVDS/Serdes的攝像頭原始信號(hào)，還有整車的以太網(wǎng)backbone，HDMI的輸出等。其中可能有多達(dá)三個(gè)SoC來分別處理攝像頭，Lidar，以及傳感器融合和路徑規(guī)劃等數(shù)據(jù)后處理的任務(wù)。可想而知，從板級(jí)功能安全的角度，這其中有多少電源域需要監(jiān)控，特別SoC的supply rail以及上電時(shí)序是非常復(fù)雜的。

目前的SoC的safety island 中ADC的數(shù)量和精度都不及更低制程的MCU。

另外，英飛凌針對(duì)AURIX，還搭配了功能安全的PMIC，給MCU以及外圍的傳感器，收發(fā)器芯片供電的同時(shí)，通過外狗來監(jiān)控MCU的安全運(yùn)行，并對(duì)系統(tǒng)供電進(jìn)行過流過壓等監(jiān)測(cè)。當(dāng)MCU運(yùn)行或系統(tǒng)電源出現(xiàn)異常時(shí)，作為最后一道屏障來負(fù)責(zé)Reset MCU，切斷域控器對(duì)外的輸出等動(dòng)作，使系統(tǒng)進(jìn)入安全狀態(tài)。我們也稱此為二級(jí)關(guān)斷路徑。

總結(jié)一下，Safety MCU在ADAS/AD域控制器的作用主要有Safety Computing 和 independent Safety Path。目前集成Safety Island的AI SoC 仍需要Safety MCU來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能安全。