国科环宇：国产通用型车规级MCU芯片的产品思考

“严格来说，纯国产芯片要从工艺、生产、设计、流片、封装到测试都做到自主可控。”北京国科环宇科技股份有限公司汽车芯片事业部总经理李介民提到。

2023年11月29日，在“芯向亦庄”2023汽车芯片产业大会上，李介民表示，高安全等级的车规MCU芯片是未来大家一起努力争取的方向。这主要源于两个驱动，包括技术驱动和应用环境驱动。技术驱动在于锁步技术在芯片架构上得到了很大发挥。以往车规芯片的锁步技术相对来说发展没有那么快。现在，一是有开源指令集的进入，二是模块化的开发已经成为每个芯片厂商的主流方式，所以锁步方法在车规芯片设计里成为非常好的方式。而从应用场景驱动来看，是为了更好地服务智能驾驶、ADAS以及动力总成的应用场景。 

李介民 | 北京国科环宇科技股份有限公司汽车芯片事业部总经理

以下为演讲内容整理：

国产通用型车规级MCU芯片市场概况

感谢北京亦庄和盖世汽车给我这次机会，能和大家分享我在MCU芯片开发过往经历的思考。分四个方面，第一简单谈谈国产通用型车规MCU芯片的市场概况。MCU芯片大家都比较了解，它在20世纪70年代（口误成60）就已经出现，大家习惯性把CPU内核和特定IO等特定接口集成的控制器芯片称为MCU芯片。车规级符合三个要素，研发遵循16949，功能安全认证，车规认证符合AEC-Q认证，不同芯片有不同AEC-Q标准，MCU属于IC方向就需要AEC-Q100，多芯片模组需要AEC-Q104认证，过了这些认证就认为它是车规级的芯片。MCU里面种类非常多，按照指令集划分，有精简指令集和复杂指令集。按照存储格式分为哈佛架构和冯诺依曼架构，按照用途可以分为通用型和专用型。 

图源：国科环宇

车规内通用型芯片应用领域包括车身控制、座舱控制、动力总成和自动驾驶系统，这些方面都有通用型MCU的参与。中国新能源汽车规模一直在增长，产量很高，单车搭载芯片量也很高，一直处于增长的方式。我们可以做的事情还很多，国产芯片占有率上车率还需要再努力再发力，这都是比较正常的状态，至少5年时间内，国内芯片有较大可为的发展前景。

国产通用型车规级MCU芯片的发展特点

进而我们再来聊聊国产通用型车规MCU芯片的发展特点。大家都知道现在指令集有很多，位宽有多种可以选择，每家芯片公司都在做自己的架构，主频也都不一样。主频基本上车载的通用芯片48MHz、64MHz、80MHz、100MHz、128MHz、168MHz、180MHz、200MHz等都有，这是我思考的问题，这些芯片是怎么一步一步从舞台出现，又从市场舞台消失。 

图源：国科环宇

目前MCU芯片供电方式主要是两种，一种是单电源供电，2.7-5.5V的供电方式，或者像恩智浦芯片是多电源的供电方式，配合SBC芯片进行整个板卡的功能安全设计。IO数量有早期的48、100，这类的数量已经够用了，现在也出现了500以上的IO数量的MCU，内存容量最大在2MB或者4MB级别，再往上就到10MB左右，甚至因为工艺制程的原因，这一类MCU芯片的Flash会选择外置。功能安全等级ASIL-B/D是比较多的情况。

我在思考的是怎么样把处理器性能、IO数量、存储容量和认证等级做演变和规划。早期在主频情况下，48MHz、64MHz甚至100MHz以下的MCU芯片在国内车厂和零部件厂商大量使用，因为那段时间有缺芯潮，很多芯片从工业领域涌进来不一定能达到功能安全等级，但可以通过板卡级的功能安全设计，在板卡级达到应用要求。所以早期时候存储容量不是很高，IO接口较少，主频不高的芯片大量可以在汽车里投入使用，并且它进一步带动了国内的AEC-Q认证，这些芯片可以快速地进行AEC-Q认证，甚至功能安全的功能认证和迭代，这一类市场相对来说属于“内卷区”。一开始定义产品的时候，说定义一个产品MCU100MHz以下怎么做，一调研就否决掉了，因为各家发力做得好，并且基本产品同质化程度高的，性能相对完善。    

第二阶段目前来说是国内汽车的MCU比较能够发力，并且逐步上车并占领市场的阶段。这里有个特点，主频在100MHz-300MHz甚至400MHz的频率，它的存储容量在128K-512KB的水平，IO一般情况下是在80-144，这一阶段的芯片深受车厂的欢迎，因为这类芯片一旦功能安全等级达到B级，在车上就能有很好的适配。想进一步发展，就必须到更上一步的程度。第三阶段是性能的提升，会有质的飞跃，存储容量会变大，IO数量也会变大，功能安全等级提高，单核设计转向多核设计。安全提高了，应用范围和能力也会变得更强，外设通用接口变多，低速接口也会往高速接口发展。

关于国内MCU芯片的演变有三个发展趋势，发展趋势一是目前主要的车规MCU架构多，ARM架构在第三阶段快速发展，国内很多优秀芯片公司芯片厂商推出了高性能多接口、多IO、多功能、多种类的MCU芯片，并且做到了非常好的程度。在第二阶段我认为要自主可控，严格来说纯国产芯片，从工艺、生产、设计、封装、流片，包括整个测试，甚至更严苛来讲IP，需要自主可控。从这个角度来讲，RISC-V是非常好的指令集，并且也是在车规行业开始崭露头角，在一些产品里逐步找到了定位和发展的契机。它有一些特点，新的架构带来新生态的建立，包括编译环境，开发工具、配置工具、调试工具的优化，，并且国内的软件公司车厂和tier1都在尝试给RISC-V产品做合作和适配，AUTOSAR对RISC-V也是开放的姿态。    

另外，因为RISC-V指令集的开放，所以CPU设计、体系结构设计完全可以自主设计。涉及整个内核和SOC芯片相关的功能安全的设计有非常大的自主可控的可能，代码可以自己写，怎么算怎么做分析，最后得到要的统计数据，这些都成为可能，而不会在板级上让它变成单独的模块，这是RISC-V给整个设计带来的最大好处。

发展趋势二，高安全等级的车规MCU芯片是未来大家一起努力的方向。主要是两个方向，一个是技术驱动，一个是应用环境驱动。技术驱动在锁步架构上得到了非常大的发挥，以前车规芯片还没有在国内快速发展的时候，锁步技术发展的没那么快。现在一是有指令集的进入，二是模块化的开发已经成为每个芯片厂商主流的方式，所以锁步方法在车规芯片设计里成为非常好的方式，它有很多种，比如CPU内核里顺序和乱序，顺序的双核锁步和乱序的双核锁步有不同的操作方式，可以选择性的考虑流水线级锁步设计，如果是乱序可以异步三周期，如果是顺序流水线七级，可以选择资源耗费更多但错误识别率故障率检测更精确的单周期锁步。包括还有增加核的面积的个数做二选二的锁步方式。还有一种是高性能内核不做锁步，只做高性能的处理方式，但在内部集中了一些监测核，监测核可以采用高安全的设计，比如做锁步或者冗余的方式实现功能安全机制。

应用场景驱动目前这些MCU一个方向是往高性能发展，能服务智能驾驶或ADAS应用场景。另外一个是往动力总成的领域方式发展，包括对功能安全要求很高但主频架构要求性能并不是那么高的领域，比如电池管理、电源控制、刹车制动、安全气囊，这类芯片一直是我们芯片开发的主旋律，因为这类芯片一直是最重要的，是整个汽车的核心。自动驾驶安全驾驶会一边随着性能的提升，一边对功能安全等级要求越来越高。

第三个思路提到了EE架构的变化影响车规MCU产品的定义。一开始都是分布式MCU的汽车架构，后来变成了域控或者跨域融合，到后面成为中央计算的变化。它也确实对芯片厂商带来了很多可能，因为现在有很多国内车厂在推出相关的架构，这些架构逐步从域控到跨越融合，并且未来到中央计算，一定会有大的步伐迈进。

这样会带来一种情况，芯片MCU跑得越来越快，性能越来越高，算力要求越来越高，甚至IO会把边上的IO全部吸收进去，让它做成大的控制器产品。但是它把大的控制器产品做完以后，小的ECU端口控制应该怎么做？——我们叫端侧芯片，比如IGBT、传感器、小的MCU、小的电力驱动，这些东西它该怎么安排部署，有没有可能会有新的变化新的集成，这其实我们往上看也要往下看，看高的芯片厉害，但也要想想这些越来越厉害的芯片把这些端侧芯片耦合以后，下游的芯片该怎么办，这也是我一直在想的问题。

国产通用型车规级MCU芯片的演进思考

第三是根据想的问题，说一下自己的想法。第一个想法是个人充满信心，RISC-V架构将在高安全高可靠的车规芯片领域发光发热，主要有五个要素。从标准来说，国内汽车领域所有标准已经在逐步完善。从设计角度来说，设计上自由可扩展的指令集架构，可以让这些安全的设计变为可能。从测试来说，测试方面现在有些RISC-V的产品得到了测试，有相关成果案例。另一方面，应用方面国内已有具备状态上车的产品。生态方面目前有一些国际大厂和RISC-V芯片公司做合作，推相应的产品。

EE架构的变化将对MCU带来新的思路。通用型MCU不是纯通用的MCU芯片，未来有可能汽车电子里面不会有纯粹的MCU芯片出现，有些特定场景能满足未来中央+计算的大架构MCU产品。比如说有可能是多IO集成，有些IO数量会变得更多，比如说某一类产品它就是想搭配一些其他信号，或者有些MCU产品需要大量的中断源。第二是高功能安全，这点肯定不会变，因为端点MCU和实际的操作是紧密联系的，所以需要高功能安全去保障执行。第三是强实时和大MCU处理配合这方面，因为现在大核越来越多，IO也越来越多，端点和大核之间怎么配合也会是未来的话题。

国科环宇在2022年及以前以RISC-V内核架构为主做了传统的MCU芯片，到2023年开始推出了高安全等级的通用型MCU芯片，公司所有团队专注MCU芯片研发与落地。2024年希望和更多车厂、Tier1公司进一步密切地合作，瞄准市场的需求推出“通用型”的侧端芯片。 

图源：国科环宇

公司在大会展出了两款产品，包括SV32C601芯片产品和自己的一款DC-DC电源芯片。如果感兴趣欢迎大家到展台去咨询关键的参数。这是目前601的系列，采用RV32IMACFD Zicsr架构，200兆的主频，采用了ECC编码和SECDED的编码，具有低功耗高可靠的特色，也会增加一些比较多的接口来满足当前的通用型需求。

（以上内容来自北京国科环宇科技股份有限公司汽车芯片事业部总经理李介民于2023年11月28日-30日在“芯向亦庄”2023汽车芯片产业大会发表的《国产通用型车规级MCU芯片的产品思考》主题演讲。）