下一代汽车微控制器：意法半导体技术解析
来源：意法半导体博客
意法半导体（ST）深耕汽车市场已有30余年的历史，其产品和解决方案覆盖普通车辆的大多数应用系统。随着市场的发展，意法半导体的产品也在不断升级改进，其中的重要产品汽车微控制器（MCU）也不例外。
ST率先推出了嵌入式非易失性存储器（eNVM），并通过ST10引领市场，随后推出了基于PowerPC架构的SPC5系列汽车微控制器，在汽车领域出货量超过十亿个MCU。来自STM8系列的高性价比汽车控制器补充了这一产品线。
ST的Stellar产品家族
Stellar产品家族是意法半导体目前最新一代基于Arm的汽车微控制器，是意法半导首个高低端产品全覆盖的汽车MCU产品组合。这些先进的微控制器降低了开发复杂性，确保应用的安全性和可靠性，让下一代车辆架构和功能具有更佳的性能和能效。客户可以受益于更短的开发时间，并专注于为他们的软件定义汽车（SDV）带来创新和差异化，以应对激烈的市场竞争。因此，Stellar产品在亚洲和欧洲客户中的关注度不断提升。
Stellar是业内在eFlash之后推出的首个嵌入式非易失性存储器技术，是市场上目前最成熟、最小的汽车级存储单元解决方案的代表。Stellar产品家族适合汽车电动化应用，包括X-in-1高集成度车辆电机控制计算机、新型车辆架构，以及用于ADAS、区域控制和车身集成等安全关键子系统的安全MCU。
它通过将多种功能安全地集成到单一设备中，并允许在车辆中持续集成新功能，全面支持汽车转型。这一切离不开关键技术，包括正确选择处理器核心技术、虚拟化、以太网支持以及嵌入在汽车MCU中的突破性内存技术。对于面临应用存储器大小挑战的客户来说，该技术是一个颠覆性的改变。
Stellar MCU搭载Arm® Cortex®-R52+处理器技术。这款高性能处理器支持实时虚拟化，适用于实时控制的安全系统，能够在互不干扰的情况下同时运行多个应用。该微控制器具有完全可编程的辅助核心，可以加快执行特定的功能，例如，路由、低功耗管理和数字滤波，同时减轻主核心的计算量。
“随着驾驶体验在AI和软件定义汽车时代的不断演变，提升汽车功能性安全、灵活性和实时性能至关重要，”Arm汽车业务线高级副总裁兼总经理Dipti Vachani表示，“基于Arm构建的Stellar微控制器系列利用Arm计算平台的先进安全性和实时功能，以及广泛的Arm软件生态系统，让汽车制造商能够在遵守严格安全法规的同时，实现创新功能，在汽车领域保持领先地位。”
Stellar微控制器让汽车厂商能够在车辆上引入以太网功能，是意法半导体首个嵌入以太网交换机的MCU。以太网技术可以提高数据交换的能效和灵活性，支持千兆吞吐量需求，并提供更高水平的安全性。通过支持各种车载通信拓扑结构，例如，以太网环，这款汽车微控制器实现了将整车布线电缆长度和制造成本降低一半的承诺。
相变存储器将重新定义车辆软件的可能性
Stellar微控制器利用嵌入式相变存储器（PCM）技术及其灵活性，彻底改变了软件更新无线下载（OTA）体验。在汽车行业中，OTA对于在不拆卸硬件的情况下添加新功能和安全补丁至关重要。然而，这种灵活性通常需要仔细考虑未来的存储容量需求，因为无线更新可能导致成本增加和产品规划复杂化。
意法半导体创新的PCM不是普通的存储器。它不仅是业内目前最小的汽车MCU存储单元，还是汽车领域首个开创性的技术突破，重新定义了车辆软件可以实现哪些功能。意法半导体的PCM创新技术将存储器处理数据的能力提高了一个档次，这不仅关乎存储器的读写性能，它更是一种具有前瞻性的解决方案，为汽车领域带来了适应能力和持久价值，让终端开发者能够不断改进和升级汽车功能。
随着车辆越来越具有软件定义功能，引入新功能和改进功能的能力变得至关重要。PCM的突破性技术支持向更具适应性、面向未来的汽车转型，随着汽车功能不断改进，PCM为汽车厂商带来新的方式来优化体验。
此外，PCM还提供了不间断OTA更新的支持能力。PCM可以安全存储软件更新，不会影响车辆当前操作。得益于并行读写能力，新软件的下载不会干扰当前在MCU上运行的应用代码，从而确保更新过程继续使用汽车。
Stellar P系列用于集成多种功能，而Stellar G系列则用于实现软件定义汽车（SDV）的区域控制器，这两个系列都利用了意法半导体内部开发的eNVM存储器和28nm FD-SOI技术，可以在较低的功耗时实现更高的频率，具有更强的耐辐射性。Stellar是首个获得功能安全认证的28nm产品，将在年底前投入生产。
Stellar产品家族还支持日益增强的X-in-1高集成度趋势，推进汽车从油车到电动车的决定性转变，促进更经济实惠的电动汽车发展。X-in-1动力总成解决方案将多个组件集成到一个单一ECU中，使制造商能够创造高能效、紧凑、高性价比的汽车。
Stellar提供可扩展的X-in-1高集成度解决方案，从低集成到高集成度ECU，该微控制器可以集成越来越多的ECU。该解决方案通过提供强化的核心、模拟组件和I/O端口，支持日益复杂的X-in-1系统开发。
欣旺达创始人王明旺表示：“作为全球锂离子电池的龙头企业，欣旺达为全球汽车供应商提供稳定可靠的汽车电子系统解决方案。我们与意法半导体的新合作专注于利用ST的先进Stellar微控制器和专有生产工艺开发解决方案，主要包括电池管理系统以及VDC/区域和车身控制功能。我们共同的目标是提供智能解决方案，改进中国及全球的下一代新能源汽车。”
Stellar MCU的基础组件：
1. Arm® Cortex®-R52+技术：能够在互不干扰的情况下同时实时运行多个应用程序。
2.FD-SOI技术：在较低的功耗下实现更高的频率，并增强抗辐射性。
3.新的，强大的无线下载方法和真正的EEPROM功能。
4.一系列与以太网相关的知识产权（MAC、MACSec、交换机），能够支持高容量数据传输，可实现不同的车载通信拓扑，降低车辆制造成本。
5.完全可编程的辅助核心：加速特定功能，例如，路由、低功耗管理和数字滤波，同时减轻主核心的运算量。
STM32微控制器将进入汽车市场
作为汽车微控制器（MCU）战略部署扩大版的一部分，意法半导体将把通用STM32微控制器平台引入汽车行业。STM32平台因成本优势、简便性和可靠性而广受认可。在增加汽车级质量和安全性后，STM32A将达到ASIL B标准。从非常简单的功能到更复杂的单一任务，该平台可以处理各种边缘执行器应用，而且成本实现了优化，特别适合车辆系统中的电机控制应用，包括车窗、后视镜和天窗等。
工业与汽车最佳结合：迈向融合的未来
随着时间的推移，工业软硬件平台和汽车软硬件平台的融合将结合两者的优势。汽车行业带来了强大的安全专业知识，而工业领域则建立在强大的物联网和人工智能解决方案之上。未来融合将共享硬件技术、核心以及一个共同的工具和软件支持生态系统。这种融合将使客户能够在解决方案之间无缝过渡，提供简化和完全的可扩展性，从而更快地进行创新。
边缘AI技术是ST看到的一个现有工业技术应用到未来汽车行业的例子。神经加速器开发工具让开发人员能够在其应用中轻松实现AI，不受他们的数据学专业知识水平的限制，将来，神经加速器技术及其相关工具将改进汽车系统。安全性是ST看到的另一个工业与汽车技术融合带来显著好处的应用领域。在过去约10年中，意法半导体投资开发微控制器、智能传感器和AI软件工具，以满足客户的需求并利用好边缘AI的优势。
在汽车行业，尽管人工智能应用，除自动驾驶外，仍处于起步阶段，但是，有望优化系统、提升能源效率和解决问题的应用正成为新兴趋势。例如，虚拟传感器可以测量转子温度，预测性维护可以确保车辆的可靠性。随着车辆中传感器数量的显著增加，把如此多的传感器虚拟化，进一步提升汽车性能，AI将在其中发挥关键作用。安全性是ST看到另一个工业与汽车融合带来显著好处的领域。
未来汽车微控制器将基于目前最先进和高能效的18nm工艺技术。ST的先进的汽车MCU技术组合涵盖从40nm到28nm再到18nm的技术，旨在优化产品性能和成本。
IDM模式为客户带来的好处
作为一家半导体垂直整合制造商（IDM），意法半导体开发半导体基础工艺技术和核心知识产权（IP），然后利用这些半导体技术和知识产权设计芯片，并在自营工厂内或委托合作伙伴制造、测试和封装芯片。这种IDM模式为客户带来了多项优势：
■ 为满足客户在各个市场中的应用需求而设计和优化的流程。
■ ST自主开发的针对特定功能和系统优化的IP模块。
■ ST的工艺、产品和运营团队能够紧密合作，优化制造工艺，改进关键性能和良率。
■ 产能的控制能力，建立灵活、可靠的供应链。
这个模式对汽车客户尤其重要。
在Stellar微控制器上整合FD-SOI与相变存储器（PCM）技术，是证明垂直整合模式给客户带来的好处的一个范例。意法半导体是这两项技术的关键开发者之一，与合作伙伴一起将其推向市场。意法半导体掌握这两项技术，并根据汽车应用需求优化技术，这一技术实力和定制能力造就了具有独特优势的产品。意法半导体的PCM技术创造了业内目前最小的物理存储单元，存储密度是其他产品的两倍。
得益于这种存储技术的高能效、高可靠性和抗辐射性，采用FD-SOI和嵌入式PCM设计的集成电路能够满足汽车应用目前最严格的要求。意法半导体的PCM技术满足AEC-Q100零级汽车标准要求，工作温度高达+165°C。该专利技术支持高温数据保存，包括在焊接回流过程中保存数据，因此，固件可以在焊接前下载到芯片。
生态系统在转型中发挥关键作用
这一市场先进的技术配有一个巨大的合作伙伴生态系统，从开发工具到具体的安全、保障和数据交换传输软件库，进一步增强了ST的产品组合的实力。这也将简化设计，帮助客户向软件定义汽车的转型。
Green Hills Software创始人兼首席执行Dan O’Dowd表示： “意法半导体与Green Hills Software紧密合作，为汽车原始设备制造商（OEM）和一级供应商（T1）提供创新的软硬件一体化解决方案，以应对在开发下一代车辆区域架构中面临的越来越多的挑战。Green Hills的实时操作系统（RTOS）经过生产验证和安全认证，该系统和开发工具配合Stellar SR6独有的通信IP，可以提供先进的有容错功能的区域网络，能够显著降低每辆车的成本，同时缩短上市时间。”
Vector嵌入式软件和系统产品线总监Jochen Rein表示： “我们的MICROSAR Classic嵌入式软件为客户提供安全可靠的基本的 ECU（电子控制单元）软件。得益于与意法半导体多年的紧密合作，新推出的Stellar MCU已经支持我们的软件。通过将Stellar的先进硬件与Vector的强大软件集成，客户能够获得目前最高水平的安全性和可靠性，既适用于ADAS（高级驾驶辅助系统）应用，也能成功处理向软件定义汽车的转型。”
普华基础软件副总裁Luo Tong表示：“普华基础软件是中国先进的汽车操作系统开发商，也是AUTOSAR在中国基础软件领域的优质合作伙伴。自2016年与意法半导体合作以来，普华基础软件已成为意法半导体在中国的MCAL代理。这个代理服务包括多个微控制器，例如，SPC58/SPC56/STM8A，双方还将围绕新推出的Stellar产品家族进行更深入的战略合作，未来，Stellar将支持EasyXMen开源操作系统。”
东软睿驰NeuSAR CP产品中心主任王继鹏表示：“东软睿驰的软件平台NeuSAR率先在国内量产 ‘AUTOSAR+中间件’全栈软件，广泛应用于下一代ADAS（高级驾驶辅助系统）、底盘、电源和车身控制系统。东软睿驰提供基于SPC5和Stellar E系列汽车微控制器的整体解决方案，包括应用程序/基本软件、引导加载程序、刷新和仿真，未来将支持新一代Stellar P和G系列。双方将共同努力，创造更高水平的汽车级软硬件整体解决方案，帮助原始设备制造商（OEM）和一级供应商（Tier 1）提供高能效、个性化和差异化的功能，加速软件定义汽车（SDV）的创新。”
结束语
通过在不同的产品维度之间构建共同的基础，专注打造稳健的汽车级质量，意法半导体为一个广阔的市场提供一个广而深的产品组合，“广度”是指涵盖从128KB到64MB的存储器，从单核到多核处理器及虚拟化，“深度”是指每个系列都是为特定功能专门优化设计：Stellar P和G系列专注于高集成度应用，而STM32A将是高性价比应用的理想选择，瞄准那些看重能效和简单的单核应用。
意法半导体的汽车微控制器开发战略布局扩展版专注于帮助客户降低设计复杂性，提高能效，同时确保下一代汽车达到更高的安全标准，涵盖汽车电动化、个性化、自动化和通信连接。
