【導讀】目前，市場上主流的處理器架構主要有三種，分別是Intel和AMD領銜的x86架構、應用廣泛的Arm架構以及近幾年風聲水起的RISC-V架構。作為一家芯片公司，Arm不生產芯片，但全球卻有數十億設備運行在基于Arm內核的芯片上，Arm的芯片技術幾乎覆蓋了包括智能手機、汽車以及物聯網等眾多行業應用。根據Arm的預測，從2021年開始到下一個十年，基于Arm架構的處理器出貨量將達到3,000億只。
與基于Intel或AMD的x86架構不同，Arm處理器不是中央處理器（CPU），而是片上系統（SoC），根據其系統的設計，它可以是設備控制器、微控制器（MCU）或系統中其他附屬組件的核心。自ARMv7架構開始，Arm處理器主要分成Cortex-A、Cortex-R、Cortex-M三個系列。這三大系列的分工也十分明確，即：Cortex-A系列面向尖端的基于虛擬內存的操作系統和用戶應用；Cortex-R系列則針對實時系統；Cortex-M系列主要對應微控制器。
● Cortex-A在市場上常常被看作是Arm家族的主力軍。正如最初設想的那樣，Cortex-A如今已經成為智能手機以及單板計算機這兩大新興設備的核心。
● Cortex-R是一類使用范圍比較窄的處理器，主要面向需要實時處理的微控制器應用，一個很好的例子就是4G LTE和5G調制解調器。現在，Cortex-R正在被用作固態閃存的大容量存儲控制器。
● Cortex-M擁有更小型化的“外形”，因此非常適合對尺寸敏感的應用，例如汽車控制和制動系統，以及具有圖像識別功能的高清數碼相機。Cortex-M還可以作為數字信號處理器（DSP），用于響應和管理聲音合成、語音識別和雷達等應用中的模擬信號。
微控制器市場
企穩回升
2019年，受全球經濟疲軟的打擊，在汽車、工業和商業設備、家用電器、消費電子產品和許多其他嵌入式系統應用中，微控制器（MCU）市場出現一定下滑。市場研究人員估計，2019年微控制器市場從2018年創紀錄的176億美元下降7%，2020年下降約8%至149億美元。不過，在經歷連續兩年的下跌后，MCU市場于2021開始上漲。
圖1：MCU市場預測，包括市場價值、出貨量以及平均售價（ASP）
（圖源：IC Insights）
IC Insights預測，2021MCU市場將增長5%回升至157億美元，接下來的2022年預計增長8%，2023年的增幅更是達到11%，屆時MCU收入將達到創紀錄的188億美元。其中，汽車MCU的增長將超過大多數其他終端市場。
市場研究和戰略咨詢公司Yole DéDevelopment（Yole）的分析稱，MCU的價格將在未來幾年內保持較高水平。來自Yole公司2021年4季度MCU市場監測數據，2021年的MCU價格漲幅超過了很多人的預期，盡管其中因供應鏈問題導致無法滿足多個市場的需求，但在年底MCU市場的收入仍出現強勁反彈——這主要歸功于平均售價的上漲。Yole甚至認為，這種人為抬高的MCU價格在2026年之前不太可能出現大幅下降。
圖2：MCU市場分布情況
（圖源：Yole）
汽車微控制器市場
依然缺貨，銷售額飆升
十幾年的應用實踐表明，智能手機、汽車、工業以及物聯網已經成為MCU應用的主戰場。隨著車輛向著電動化、網聯化、智能化方向發展，汽車MCU的銷量逐年走高。在過去十年中，汽車MCU占到了MCU總銷售額的40%左右。根據IC Insights的《2021 McClean報告》，盡管微控制器持續短缺，汽車制造商在2021年不得不暫時關閉部分裝配線，但汽車MCU的銷售額在2021年仍飆升23%，達到創紀錄的76億美元，預計在2022年和2023年將分別強勁增長14%和16%。
從產品分布看，在2021年，超過四分之三的汽車MCU銷售來自32位MCU，預計達到58.3億美元左右；6位MCU的收入約為13.4億美元；8位MCU的收入約為4.41億美元（如圖3）。因32位MCU擁有更高的平均售價，故對2021年的銷售額貢獻很大。IC Insights的預測顯示，所有32位MCU的平均售價在2015年至2020年期間是以-4.4%的復合年增長率（CAGR）逐年下降的，但在2021年上漲了約13%，達到0.72美元左右。
圖3：汽車MCU市場增長情況以及2021年32位、16位、8位MCU的市場分布（圖源：IC Insights）
從應用角度看，2021年，汽車信息娛樂（用于檢索數字地圖、識別位置并從互聯網和衛星傳輸訪問數據的娛樂和信息系統）占到了汽車MCU總銷售額的10%（約7.8億美元），其余的90%主要來自于汽車的發動機控制、動力傳動系統、制動器、轉向系統、電動車窗、電池管理等，這些MCU的收入達到68億美元。根據IC Insights的數據，2021年汽車信息娛樂市場MCU的銷售額比2020年增長了59%，其他汽車MCU的收入增幅為20%。
值得關注的新一代汽車MCU
復雜的新一代汽車架構離不開性能強大的汽車MCU的支持。全球微控制器市場的主要參與者包括NXP、STMicroelectronics、Microchip、Renesas、Infineon（英飛凌）、TI（德州儀器）等。其中，前五大MCU提供商的市占份額超過了50%。這些企業同樣也是汽車MCU的主要參與者，他們積極參與合作伙伴的產品研發，并不斷推出新的汽車MCU產品。
01 ST：車規級MCU全面上新
ST為汽車應用提供廣泛的微控制器產品組合，最近發布的Stellar系列是其最新的高性能32位汽車MCU。該系列基于多核ARM R52，帶創新型嵌入式相變存儲器（ePCM）并內置28nm FD-SOI技術。Stellar集成式MCU為新一代的車輛架構提供安全、可靠且確定的解決方案。其中，Stellar P系列專為滿足下一代傳動系統、電氣化解決方案和域導向系統的集成需求而設計，可實現更高水平的實時性能、安全性和確定性。Stellar G系列專為應對下一代車身集成和區域導向車輛架構的關鍵挑戰而設計，可保證性能、安全性和功率效率以及更廣泛的連接和更高的安全性。
已經批量供貨的產品Stellar P MCU（SR6P7C3和SR6P7C7）和Stellar G集成式MCU（SR6G7C3和SR6G7C5）均具有六個Arm? Cortex?-R52內核，一些內核在鎖步模式下運行，而另一些內核則在分核模式下運行，在安全水平和處理能力方面可滿足不同應用需求。
Stellar E車規級MCU是Stellar系列的最新產品，它針對電動汽車（EV）和汽車集中式（區/域）電氣架構優化了性能，可確保功率轉換和電動傳動系統應用的高效驅動，有助于降低電動汽車成本，延長續航里程，加快充電速度。Stellar E實現了在同一顆芯片上執行高速控制回路處理和通用控制運算，利用片上集成的高速模數轉換器（ADC）、高精度脈寬調制（PWM）控制器和快速動作保護電路等特性，只用一個MCU就能控制整個功率模塊，簡化功率模塊設計，精簡了物料清單。Stellar E系列MCU是面向數字化控制功能增強的理想SiC/GaN配套芯片。
當前，向軟件定義車輛（SDV）轉型正在成為汽車行業的發展趨勢。Stellar E還是一款專為下一代軟件定義電動汽車設計開發的MCU產品，支持先進的汽車功能性安全標準ISO 26262 ASIL-D、硬件安全模塊（HSM）和行業標準軟件互操作性，提供高效的OTA更新和升級。據ST的公開信息，Stellar E系列的首款產品Stellar SR5E1主要針對電動汽車車載充電器（OBC）和通用DC/DC轉換器的優化而設計，計劃2023年開始量產。
圖4：Stellar集成式32位MCU系列為新一代的車輛架構提供安全可靠的解決方案（圖源：ST）
02 NXP：S32K3 MCU提供系統級功能安全方案
汽車功能安全歷來專注于制動、底盤和動力總成控制等車輛動力學系統，現在已擴展至從車身控制模塊和電池管理系統（BMS）到區域和電機控制ECU等整個車輛應用范圍。這一點的核心是MCU作為主要安全和應用處理器或安全配套IC的作用。
S32K MCU系列是NXP S32汽車電子平臺中的新產品，有助于降低汽車軟件成本和復雜性，打造更智能、功能安全性和信息安全性更高的車輛，適用于車身、區域控制和電氣化等應用。S32K3系列包括基于Arm Cortex-M7的可擴展32位MCU，支持ASIL B/D安全應用的單核、雙核和鎖步內核配置。同時具有帶NXP固件的硬件安全引擎（HSE），支持無線固件更新（FOTA），并為AUTOSAR和非AUTOSAR應用免費提供符合ISO 26262的實時驅動（RTD）。
在硬件安全層面，S32K3 MCU以ASIL D級以下的應用為目標，構建在一個安全的體系結構之上，該體系結構涵蓋電源、時鐘、復位、中央處理器（CPU）、互連、內存（包括內部閃存和RAM）以及多個外圍模塊。其中的大多數模塊都在片上硬件中實現，有助于降低系統集成商的BoM成本。
在軟件安全層面，S32K3 MCU由一套生產級、符合安全標準的軟件支持，應用程序開發比較簡單。在系統安全層面，S32K3 MCU可與NXP的FS26xx系統基礎芯片（SBC）一起使用，以提供系統級安全解決方案。其中，FS26xx為具有自我監控功能的MCU提供穩定的輸入電源，對基本MCU計算功能進行外部看門狗監控，監控MCU的復位輸入/輸出，并監控其故障采集和控制單元（FCCU）錯誤指示輸出。如果SBC檢測到MCU中存在任何不可恢復的故障，則會觸發系統進入安全狀態。
圖5：S32K3 MCU提供的系統安全解決方案包括芯片的關鍵硬件和軟件安全機制，以及連接到外部SBC時的輸入和輸出連接（圖源：NXP）
03 Infineon：Traveo?? II 32位汽車MCU瞄準下一代車身電子應用
自2020年收購了Cypress后，Infineon的車身控制方案更加完備。Cypress Traveo?? II系列是專為汽車車身電子應用而設計的新一代32位MCU，在單核Arm Cortex-M4F和雙核Cortex-M7F中，Traveo II系列內置了處理能力和網絡連接，其性能從Traveo系列的400 DMIPS提高到Traveo II系列的1500 DMIPS。
此外，Traveo II系列還集成了HSM（硬件安全模塊）、用于安全處理的專用Cortex-M0+，以及滿足FOTA要求的雙存儲體模式嵌入式閃存，具有高級安全功能。Traveo II系列MCU配備了優化的軟件平臺，可用于Cypress AUTOSAR MCAL（微控制器抽象層）、自檢庫、閃存EEPROM仿真以及安全低級驅動程序，并結合第三方固件使用。
Traveo II系列還具有先進的安全特性，包括用于存儲器的ECC、電源電壓和時鐘監視器、看門狗以及自檢庫。Traveo II系列支持六種功率模式。有源、睡眠、低功耗有源、低功耗睡眠、深度睡眠和休眠模式（5μA典型值）。這些微控制器還支持從深度睡眠進行循環喚醒，以優化功耗。
Traveo II系列包含多個產品系列，既有入門級型號CYT2B6、CYT2B7、CYT2B9和CYT2BL，也有高性能的CYT3BB/4BB和CYT4BF等產品。
圖6：Traveo II系列包含多個產品系列供用戶選擇
（圖源：Infineon）
04 TI：TDA4VM Jacinto處理器非常適用ADAS和自動駕駛汽車
Jacinto處理器平臺是久負盛名的一款汽車用產品，它基于TI數十年的汽車系統和功能安全知識，具有強化的深度學習功能和先進的網絡處理能力，以解決高級駕駛輔助系統（ADAS）和汽車網關應用中的設計挑戰。該平臺系列中有兩款極具特色且主要面向下一代汽車架構應用的汽車級芯片：應用于ADAS的TDA4VM處理器、應用于網關系統的DRA829V處理器，二者均擁有出色的功耗/性能。
Jacinto7 TDA4VM處理器集成雙核64位Arm Cortex-A72微處理器，性能高達2.0GHz、22K DMIPS，具有強大的片上數據分析的能力，非常適合ADAS和自動駕駛車輛（AV）應用。TDA4VM具有很高的系統集成度，關鍵內核包括具有標量和矢量內核的下一代DSP、專用深度學習和傳統算法加速器、用于通用計算的最新Arm和GPU處理器、集成式下一代成像子系統（ISP）、視頻編解碼器、以太網集線器以及隔離式MCU島。
圖7：Jacinto7 TDA4VM處理器內部結構
（圖源：TI）
TDA4VM處理器主要適合以下應用：高級環視和泊車輔助系統、自主傳感器融合/感知系統（包括攝像頭、雷達和激光雷達傳感器）、單傳感器和多傳感器前置攝像頭系統、下一代電子后視鏡系統。
具有極高系統集成度的Jacinto7 DRA829處理器基于Arm v8 64架構，僅處理器內核中，就內置了性能高達2.0GHz的雙核64位Arm Cortex-A72微處理器子系統、六個Arm Cortex-R5F MCU、深度學習矩陣乘法加速器（MMA）、C7x浮點矢量DSP、兩個C66x浮點DSP、3D GPU PowerVR Rogue 8XE GE8430。集成式診斷和功能安全特性滿足ASIL-B/C或SIL-2認證/要求。
此外，DRA829還具有千兆位以太網交換機和PCIe集線器，可支持需要大量數據帶寬的網絡使用情況。最多四個Arm Cortex-R5F子系統可管理時序關鍵型處理任務，并且可使Arm Cortex-A72不受應用的影響。對Arm Cortex-A72的雙核集群配置有助于實現多操作系統應用，而且對軟件管理程序的需求非常低。
結語
2021年3月，Arm推出了全新的Armv9架構。基于Armv9架構，Arm同時推出了三種新的CPU和GPU設計，包括旗艦Cortex-X2和Cortex-A710 CPU以及Mali-G710 GPU。這三個新的CPU和GPU設計不僅僅是Arm最新的芯片藍圖，也是該公司十年來首次采用新的Armv9架構的設計，意味著未來的芯片性能將會有大幅提升，同時還增加了新的安全性和人工智能功能。
聯發科技（MTK）的八核Dimensity 9000是業界首款基于新型ARMv9架構的芯片，采用TSMC的4nm工藝，預計將搭載在2022年推出的旗艦智能手機上。隨著汽車智能化的發展，汽車系統中將大量使用傳感器、攝像頭、雷達等，數據處理需求也隨之增加，因此需要性能更強的芯片來提供更多的計算和控制功能，同時這些芯片還要符合較高的汽車安全完整性等級（ASIL）。
從以上介紹的汽車MCU中，我們可以看出，基于Arm v8架構的產品已獲批量使用。不同于消費類電子，汽車芯片的設計及應用必須經過嚴苛的設計及安全等級驗證。目前，暫未看到有企業公布基于Armv9架構的汽車MCU計劃，希望明年能夠有滿足下一代汽車設計需求的全新汽車MCU問世。
來源：貿澤電子
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