解析2007年汽车电子挑战与走向

2007年03月23日

据Strategy Analytics研究报告显示,未来几年,汽车电子半导体市场将以7.7% 的年均复合增长率(CAGR)稳定增长,到2010年,预计会有约216亿美元的汽车电子半导体产品在汽车中使用；每辆车中使用的半导体元件数量则将以年均9.6%的速度增长,到2010年将达到283亿美元的水平。

随着汽车电子向网络化、智能化、舒适化趋势发展的不断深入,半导体在汽车电子化中的应用规模及其作用越来越引起关注,整个行业对MCU、传感器、模拟IC等关键半导体元器件也提出更多挑战。

挑战一:海量应用带来管理复杂度提高

勿庸置疑,高速成长的汽车电子领域使得半导体器件大有用武之地,然而半导体器件的大量使用也会给系统管理带来很多挑战。“单就MCU而言,在1996年,典型的汽车仅有6个MCU,到2008年,高档汽车应用MCU的数量会超过100个,这无疑使管理复杂性大大增加。”飞思卡尔全球汽车电子战略市场经理Stephan Lehmann表示。Lehmann认为,汽车智能化的设计理念将不断深入,包括技术合作和开放的标准,鼓励即插即用的软件模块以及跨企业领域的技术合作环境。

“车身有很多的位置需要控制和监测,而且有很多地方的节点是非常集中的,应该把发动机、动力传动系统、感应点等分为几个ECU(电子控制单元)网络,各ECU间通过总线相连,来进行分布式控制。”飞思卡尔德国公司汽车系统工程部经理Rainer Makowitz介绍。飞思卡尔德国公司的总部位于慕尼黑,贴近世界顶尖级汽车制造商宝马、奥迪、奔驰的设计和制造中心,可谓“近水楼台”,因此在车身控制、车载信息娱乐、安全系统、动力传动系统等领域也走在世界前列。

分布式车身控制系统基于CAN/LIN总线,ECU将通过CAN总线提供稳定、可靠的低成本网络连接；电机、开关、传感器和车灯等则通过LIN进行网络连接。另外,Makowitz还谈到,车身控制需要更高的集成度,通过飞思卡尔专有的SmartMOS技术,设计人员可以将模拟、功率器件和数字电路集成在一起,从而提供更好的性能调节、简化设计,并节省电路板空间。

F1:SmartMOS提供模拟、数字、电源控制IC的集成化解决方案。

挑战二:自预警对传感器提出新需求

图像传感器和雷达技术可以为司机提供自我预警功能。Lehmann认为,新的传感需求是当前汽车电子面临的第二个挑战,对于这一功能的实现,他指出几个关键点:“车身需要安装有多个传感器,雷达器件成本的降低是一个关键因素,同时两种不同传感器的数据是可融合的。”此外,在降低成本方面,他还提到,可以用系统封装方案代替板级模块、采用标准化的卫星通讯,以及更高集成度解决方案。

以轮胎压力监测系统(TPMS)为例,Lehmann提到,美国要求在2007年8月前在所有出售的客车和轻型卡车上安装TPMS,预计未来5年轮胎传感器的需求量达到7亿只。他接着指出,飞思卡尔的TPMS解决方案MPXY8300由电容性压力传感元件、温度传感器、2轴加速度传感器、MCU、SMARTMOS RF发射器等组成,所有这些均被集成在一个小型封装内。

而半年前,飞思卡尔首次公布的使用硅锗(SiGe)技术的77GHz频带毫米波雷达射频芯片,正是用于在配备了车间距控制系统及预防碰撞安全系统(Precrash Safety System)的汽车间进行间距检测。该芯片将发射器数量由原来的3片降到单片,并采用了专为雷达设计的First Power架构MCU,其成本仅有采用GaAs 技术的1/4,使大批量使用成为可能。Lehmann透露,该芯片会用在2010年前后推出的汽车上。

挑战三:性能、成本驱使MCU架构升级

该行业对更多处理器及更强处理性能的需求渐趋明显。Lehmann给出了这样一组数据:2008年,汽车内的ECU单元数预计将增加到60个,这需要处理器速度达到2000MHz,MCU要具备19MB可编程存储器和1.25MB数据存储器,晶体管数量更将高达3.4亿。然而,高性能并不意味着成本的无约束,Lehmann称要提供买得起的高性能产品。

Lehmann进一步指出,新算法的采用对MCU提出了创新要求,要增加了单指令多数据(SIMD) DSP能力,同时,需要为大数据吞吐量和通信的优化提供更加智能的MCU架构,以及面向多核架构的有效工具和深入了解。

在16位MCU产品方面,飞思卡尔微控制器部门IC设计中心经理Joachim Krücken指出,飞思卡尔的S12系列MCU提供高性能和低成本兼容的产品。按照他公布的演进路线图,2007年飞思卡尔将会推出支持更高性能的S12XF系列、S12XE系列,以及成本优化的S12XS系列,并将在未来一两年内进一步推出外设更加简化、成本最优化的S12P系列,以超低成本支持LIN/CAN网络。

Krücken介绍,S12系列MCU性能的提升主要在几个方面:一是总线速度的提升,例如S12典型的总线速度为25MHz,到S12XD时的40MHz,再到S12XE的50MHz；二是CPU性能的提升,S12XD在S12的基础上,进一步采用了更快速的乘法器、存储访问方式在整个系列中保持一致(Global paging)和更多16位操作,而S12XE又在S12XD上加入了同步不可屏蔽中断(SYS non-maskable interrupt)；三是内建可提供高达100 MIPS额外处理能力的XGATE协处理器模块；四是外设的增强。

以S12XE MCU系列为例,升级产品拥有更多的存储器选择,如S12XEP100将存储器容量提高到1MB,显著提高了MCU在各种应用中的性能,包括中央车身控制、仪表检测、车门模块和底盘节点。同时,S12XE系列包括一个存储器保护单元(MPU),用于防止软件中的系统错误,这项特性在汽车设计中非常关键。XGATE协处理器模块提供多种功能,比如显示驱动、先进脉冲调制(PWM)功能和中断处理,可以显著降低CPU的负荷,使CPU能够集中资源运行关键的系统活动,从而缩短响应时间。

32位MCU产品方面,飞思卡尔和ST联合致力于PowerPC在汽车电子应用中的标准化工作,加强PowerPC的实用性,适用于动力传动系统、车身与底盘控制以及安全系统应用。基于PowerPC架构的MPC5561集成了高性能处理功能、闪存和行业标准接口,如FlexRay协议,适用于高级汽车安全应用,目前已应用于BMW自适应驾驶系统。Lehmann称:“这是市场第一个且目前在路上运行的解决方案。”MPC5561还包括一个单指令多数据流(SIMD)引擎,支持信号处理和浮点运算密集的应用。

挑战四:“零缺陷”的可靠性

汽车应用要求最基本的,就是可靠性要求。“汽车安全靠的是零缺陷的可靠性,” Lehmann指出,“下一个十年,主动安全系统将驱动汽车电子工业的增长,在绝对零缺陷的发展趋势下,当前百万分不合格品率将会提升到十亿分之一的水平。”

F2: 主动安全系统对于实现零缺陷可靠性至关重要。