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车规MCU的概念详解

2023年7月11日

编辑：Rokin/中国出海半导体网

MCU（Microcontroller Unit），中文称单片微型计算机/微控制器/单片机，将CPU、存储器、外围功能整合在单一芯片上，形成具有控制功能的芯片级计算机，主要用于实现信号处理和控制，是智能控制系统的核心。MCU与我们的生活工作息息相关，如汽车电子、工业、计算机与网络、消费电子、家电、物联网等，其中汽车电子是最大的市场，从全球角度看占比达到了33%。

一辆传统燃油车需要大约500到600颗芯片，轻混汽车大约需要1000颗，插电混动和纯电动汽车则需要至少2000颗芯片。这意味着，随着智能电动汽车的飞速发展，不但先进制程的芯片需求量越来越大，传统芯片的需求量也将继续提升。除了单车搭载的数量在不断增长，域控制器也带来了对高安全、高可靠、高算力MCU的新需求增长。

MCU结构

MCU主要由中央处理器CPU、存储器（ROM和RAM）、输入输出I/O接口、串行口、计数器等构成。

CPU

Central Processing Unit，中央处理器，是MCU内部的核心部件，运算部件能完成数据的算术逻辑运算、位变量处理和数据传送操作，控制部件则按照一定时序协调工作，分析并执行指令。

ROM

Read-Only Memory，是程序存储器，用来存放由制造厂家写好的程序，信息以非破坏方式读取，存储数据掉电后不消失，MCU按照事先编写好的程序执行。

RAM

Random Access Memory，是数据存储器，与CPU直接进行数据交换，掉电后该数据不能保持。在程序运行过程中可以随时写入、读出，通常作为操作系统或其他正在运行中程序的临时数据存储介质。

CPU和MCU的关系

CPU是运算控制的核心。MCU除了CPU之外，还包含ROM或RAM等，是芯片级芯片。常见的还有SoC（System on Chip），即片上系统，是系统级芯片，可存放并运行系统级别的代码，运行QNX、Linux 等操作系统，包含多个处理器单元（CPU+GPU+DSP+NPU+存储+接口单元）。

MCU的位数

位数是指MCU每次处理数据的宽度，位数越高意味着MCU数据处理能力就越强，目前最主要的是8、16、32位三种，其中32位占比最多且增长迅速。

NXP的S32汽车处理器平台（来源：NXP）

在汽车电子应用中，8位MCU成本低、便于开发，目前主要应用在相对简单的控制领域，如照明、雨刷、车窗、座椅和车门等车身域控制。而对于相对复杂的领域，如仪表显示、车载娱乐信息系统、动力控制系统、底盘、驾驶辅助系统等，则以32位的为主，且随着汽车电动化、智能化、网联化的迭代进化，对MCU的运算能力要求也越来越高。

MCU车规认证

MCU供应商在进入OEM的供应链体系前，一般需要完成三大认证：设计阶段要遵循功能安全标准 ISO 26262；流片和封装阶段要遵循AEC-Q001~004和IATF16949；以及在认证测试阶段要遵循AEC-Q100/Q104。

其中，ISO 26262定义了ASIL四个安全等级，从低到高分别为A、B、C和D；AEC-Q100 分为四个可靠性等级，从低到高分别为 3、2、1和0。AEC-Q100 系列认证一般需要1-2年的时间，而ISO 26262的认证难度更大，周期更长。

MCU在智能电动汽车产业的应用

MCU在汽车产业中应用广泛，如前表，从车身附件、动力系统、底盘、车载信息娱乐到智能驾驶等板块都会用到。随着智能电动汽车时代的发展，MCU产品需求会越来越旺盛。

电动化：
电池管理系统BMS：BMS需要对充放电、温度、电池间均衡进行控制，主控板需要一颗MCU，每个从控板也需要一颗MCU；
整车控制器VCU：电动汽车能量管理需要增加一个整车控制器，同时需要配备32位高阶MCU，数量根据各厂的方案不同而不同；
引擎控制器/变速箱控制器：存量替换，电动汽车逆变器控制MCU替代油车的引擎控制器，由于电机转速较高，需要经过减速器减速，其配备的MCU控制芯片替换了油车的变速箱控制器。
智能化：
目前国内汽车市场还是处于L2高速渗透的阶段，基于综合成本和性能的考量，OEM新增ADAS功能仍沿用分布式架构，随着装载率的提升，处理传感器信息的MCU随之增加。
由于座舱功能日益增多，更高性能的芯片作用越来越重要，对应的MCU地位有所下降。

工艺制造

MCU本身对算力要求优先，对先进制程要求不高，同时其内置的嵌入式存储自身也限制了MCU制程的提升，因此当前车规MCU工艺节点主要是在40nm及以上的成熟制程，部分比较先进的车用MCU产品采用了28nm制程。车规芯片的规格主要是8英寸晶圆，部分厂商尤其IDM开始向12英寸平台迁移，目前28nm和40nm工艺是市场主流。