【资讯】未来汽车芯片趋势　将从MCU转至SoC

福特(Ford Motor)在1983年首次于Escort车系导入16位元英特尔(Intel)微控制器(MCU)为基础的引擎喷射系统，而汽车产业发展至今，市面上许多高阶汽车已搭载超过100个微处理器，而当初的Escort仅搭载1个微处理器。

据Semiconductor Engineering网站报导，汽车内部系统控制所用的电子控制单元(ECU)设计，这些规范都随时间不断演进。福特汽车旗下创新部门全球执行长Jim Buczkowski表示，汽车的基本系统历史悠久，并随着时间全面电子化且整合，像是窗户从手摇式、电动式、演变到今日的智能型窗户。

最早的汽车电子系统各自独立运作，灯光、门锁、传动、防锁死煞车等功能的控制器系统均不同，而现在厂商则渐渐把这些孤立的系统整合起来。整合的第一阶段是达到资讯分享，像是感测汽车行驶速度而自动锁上的门锁，得将传动控制系统与传输变化等系统连接成一网路，相互沟通、分享不同电子控制模组系统之间的讯号。

汽车厂商早已跳脱独立控制系统，导入控制器区域网路(Controller Area Network;CAN)，未来也可望搭载乙太网路等高速通讯网路，用以传输庞大资料与讯号，整合更多微控制器功能在同一个单位当中，同步处理许多不同作业，不但降低成本也改善效能。

传统ECU主要以MCU作为基础，相较之下，先进驾驶辅助系统(ADAS)等新型系统需要不同的系统设计，因为其效能需求完全在不同层次。此外，ECU拥有更强大的核心，而MCU无法继续支持这些系统运行，尤其是相机为基础的系统。

而半导体公司正针对这类ECU做系统单芯片(SoC)设计，因而拥有许多SoC的IP，必须透过28纳米等进阶制程技术才能实现这些SoC。

SoC为基础的ECU设计与MCU为基础的设计大不同，因为MCU是现成、标准型装置，因此有各式各样的工具供选用。然而，SoC并非标准装置，因此得先选用适当的IP来打造SoC，而对于OEM而言，工具环境则较无受限。

一台汽车内一般有50个以上的ECU，而ECU里面又有多重PCB与多重MCU、电源、类比等半装置。Arteris执行长认为ECU可多达 145 个，而多半是MCU。每个主要的子系统都拥有1个SoC，而多数功能由MCU执行。目前改变趋势在于，汽车现在由更大的、专门的子系统组成，而即时更新的最好方式就是透过SoC。

电动汽车大厂Tesla并没有强迫所有厂商一同电子化，但Tesla的策略迫使汽车厂商重新思考汽车组成的方式。汽车的电子架构得重新设计，才能即时更新，安全芯片得部署于整个汽车系统内，而软体也得重新构思。

除了一般条件限制、操作模式、政府规范等挑战之外，目前ECU设计的最大挑战之一，是在成本与电力、温度条件限制之下，让高效能处理器达到安全功能标准。此外，现代汽车由至少1亿个原始码组成，而这些程式原始码由不同公司与团队设计，且得符合高需求标准与安全系统，软体复杂度也成为一大挑战。

然而，汽车产业很大一部分由汽车厂商主导，而一级(Tier 1)与二级(Tier 2)供应商往往对汽车厂商的要求有求必应。近年ECU设计很大变化之一是汽车开放式系统架构(AUTOSAR) 系统建构，替汽车厂商定义标准设计方式，让厂商可以针对ECU软体定义立下标准、沟通方式、资料类型与讯息等等。

AUTOSAR也让汽车厂商与供应商有更多的讯息交换，将独立ECU样本以数位格式传送给一级供应商作为数位规格标准。汽车产业与一般消费性市场不同，得注意许多安全需求与政府规范，因此，从传统引擎转型至电子系统的过程也较为繁琐。

益华电脑的欧洲、中东、及非洲地区汽车行销执行长Robert Schweiger指出，汽车产业的安全需求与政府规范影响面甚大，连带间接影响到益华电脑这类电子公司及其IP产品。

汽车产业目前注重减少碳排放，低功耗技术变得相当重要，而这不仅影响电动汽车发展，也针对传统汽油车发展。因为引擎、电源线等设计都会影响汽车的总重量，进而影响整体碳排放，此外，厂商设计ADAS车载安全系统时，也得遵照政府的安全规范。益华系统验证小组(Systems Verification Group)汽车安全部门产品管理执行长Adam Sherer则指出，在开发汽车系统时，往往比照医疗、军用、航空等产业验证标准，不但要执行功能性验证，也得进行安全性验证，这也使汽车产业与一般消费性市场作出区隔。

现在，汽车产业得想出要如何提供验证所需的大量资料，而这意味着从OEM、一级供应商、IP等环节都得符合验证需求，达到以ISO 9000为基础、可重复、可追踪的流程，且利用汽车安全整合等级(ASIL)作为品质标准评鉴。

而汽车产业在过去一个世纪以来，整体朝向安全性、稳定性提升的趋势发展。过去10年间，汽车产业也增加“效能”与“连接性” (connectivity)二种趋势，其中效能包括油耗效能与碳排放效能，而连接性指的是车载资讯娱乐系统为主的连接系统，改善人们的驾驶体验。

Ansys-Apache应用工程执行长认为，多数现代汽车由四大电子子系统组成：分别是引擎与动力传动控制单位、安全控制子系统、进阶驾驶辅助子系统，以及车载资讯娱乐子系统。而这四大电子子系统会控制车体操作与安全性能，或将影响驾驶与用户体验。

近年来电子元件设计、积体电路效能、系统整合等层面提升，也改善汽车整体安全性、稳定性、效率、以及连接性。不过，在汽车运作环境当中，电子与安全系统设计得有足够稳定性与抗干扰性，承受摄氏-50~200度的温差变化与高温条件、电磁干扰等苛刻条件。

汽车电子元件的温度稳定性、电子迁移现象(electmigration) 、温度感知疲乏(thermal aware fatigue)等状态得先经过模拟测试验证，而半导体IC也得经过温度模拟测试，确认稳定性与寿命影响。

这些IC得承受不同程度的电磁干扰，例如感应放电式(inductive discharge)点火系统、电源线放电等高能量干扰，以及天线辐射等低能量干扰。而IC本身设计也得将自身运行中产生的干扰，降至最小量。汽车所有重要元件都应通过抗电磁标准认证，像是ISO1152、ISO7673等等。

最后，ECU的更新作业也是很重大的改变。在过去，汽车电子系统无须不断更新，而现在汽车厂商为跟上消费性电子发展，汽车厂商得导入手动或连网软体更新功能，一有新标准或新应用就能更新ECU，包括车载资讯娱乐系统(infotainment)或仪表板(Instrument Cluster)等等。