編者按：MCU（微控制器）是承擔(dān)系統(tǒng)控制、執(zhí)行運(yùn)算等核心功能的芯片級(jí)處理器，是各類(lèi)電子設(shè)備不可或缺的主控芯片。隨著消費(fèi)電子、汽車(chē)、工業(yè)等應(yīng)用領(lǐng)域的智能化需求成為主流，MCU迎來(lái)新的市場(chǎng)空間。相應(yīng)的，各個(gè)領(lǐng)域電子設(shè)備的智能化發(fā)展，也對(duì)MCU的技術(shù)規(guī)格、功能集成、定制能力、生態(tài)搭建、成本管理等提出了更高要求。在此背景下，《中國(guó)電子報(bào)》以“芯擎萬(wàn)物 智控未來(lái)”為主題推出MCU專(zhuān)題，面向汽車(chē)電子、智能工控等應(yīng)用領(lǐng)域全面擁抱聯(lián)網(wǎng)化、智能化的趨勢(shì)，盤(pán)點(diǎn)MCU的市場(chǎng)需求變化和創(chuàng)新升級(jí)方向。

　　在汽車(chē)產(chǎn)業(yè)加速向電動(dòng)化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化、共享化邁進(jìn)的當(dāng)下，汽車(chē)電子系統(tǒng)正經(jīng)歷著翻天覆地的變革。汽車(chē)MCU（微控制器）作為汽車(chē)電子系統(tǒng)的核心控制部件，宛如汽車(chē)的“大腦”，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)和管理汽車(chē)的各種電子系統(tǒng)，從發(fā)動(dòng)機(jī)控制、底盤(pán)管理，到多媒體娛樂(lè)、自動(dòng)駕駛輔助，汽車(chē)MCU的身影無(wú)處不在，深度融入汽車(chē)的每一個(gè)“神經(jīng)末梢”。隨著汽車(chē)智能化加速，MCU也進(jìn)入創(chuàng)新升級(jí)的關(guān)鍵期。

　　例如，特斯拉的Autopilot自動(dòng)駕駛輔助系統(tǒng)，利用AI技術(shù)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)緊急制動(dòng)、自適應(yīng)巡航、自動(dòng)泊車(chē)等功能。在遇到前方突然出現(xiàn)的障礙物時(shí)，搭載AI的汽車(chē)MCU能夠迅速做出反應(yīng)，自動(dòng)觸發(fā)緊急制動(dòng)系統(tǒng)，避免碰撞事故的發(fā)生，提升了駕駛的安全性和便利性。

　　除了自動(dòng)駕駛輔九游體育助，AI融合的汽車(chē)MCU在車(chē)輛故障檢測(cè)和預(yù)測(cè)性維護(hù)方面也發(fā)揮著重要作用。通過(guò)對(duì)車(chē)輛各種傳感器數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析，AI算法可以提前發(fā)現(xiàn)潛在的故障隱患，并及時(shí)發(fā)出預(yù)警，提醒車(chē)主進(jìn)行維修保養(yǎng)。這樣不僅可以避免車(chē)輛在行駛過(guò)程中突發(fā)故障，還能降低維修成本，提高車(chē)輛的可靠性和使用壽命。

　　為了實(shí)現(xiàn)這些新興功能，MCU正經(jīng)歷著前所未有的算力升級(jí)。專(zhuān)家表示，L2級(jí)輔助駕駛僅需處理攝像頭和毫米波雷達(dá)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)車(chē)道保持、自適應(yīng)巡航等簡(jiǎn)單功能，對(duì)應(yīng)的MCU算力需求在10TOPS以下。但當(dāng)自動(dòng)駕駛級(jí)別邁向L3，車(chē)輛需要應(yīng)對(duì)復(fù)雜城市路況的實(shí)時(shí)決策，融合激光雷達(dá)、高清攝像頭等多路傳感器數(shù)據(jù)，此時(shí)算力需求飆升至300TOPS以上。到了L4級(jí)完全自動(dòng)駕駛階段，車(chē)輛要在無(wú)人類(lèi)干預(yù)的情況下處理突發(fā)場(chǎng)景、動(dòng)態(tài)規(guī)劃路徑，算力需求突破1000TOPS。

　　從數(shù)據(jù)來(lái)看，AI技術(shù)的融入讓汽車(chē)MCU的算力需求在短短幾年內(nèi)實(shí)現(xiàn)了從“TOPS級(jí)”到“千TOPS級(jí)”的跨越，且這一增長(zhǎng)曲線仍在陡峭上揚(yáng)。群智咨詢(xún)的數(shù)據(jù)顯示，2024年全球汽車(chē)MCU市場(chǎng)規(guī)模約為109億美元，同比仍然增長(zhǎng)8.3%。在汽車(chē)智能化、電動(dòng)化、網(wǎng)聯(lián)化趨勢(shì)的帶動(dòng)下，預(yù)計(jì)高性能汽車(chē)MCU的占比將持續(xù)提升，帶動(dòng)汽車(chē)MCU市場(chǎng)營(yíng)收規(guī)模持續(xù)增長(zhǎng)。

　　當(dāng)前，汽車(chē)電子電氣架構(gòu)的變革正推動(dòng)MCU從“分布式孤軍作戰(zhàn)”邁向“集中式協(xié)同管理”。此前，汽車(chē)采用分布式電子控制單元（ECU）架構(gòu)，每個(gè)功能模塊，如車(chē)窗升降、燈光控制、雨刮調(diào)節(jié)等，都配備獨(dú)立的MCU。這種架構(gòu)雖能滿(mǎn)足基本功能需求，但隨著汽車(chē)智能化程度加深，弊端逐漸顯現(xiàn)。眾多獨(dú)立MCU導(dǎo)致整車(chē)ECU數(shù)量激增，布線復(fù)雜，不僅增加了成本與重量，還使系統(tǒng)的可靠性和可維護(hù)性降低。而且，各MCU算力有限，面對(duì)智能駕駛、智能座艙等復(fù)雜功能產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)架構(gòu)難以滿(mǎn)足實(shí)時(shí)處理需求。

　　多核架構(gòu)通過(guò)集成多個(gè)獨(dú)立內(nèi)核，讓不同任務(wù)在各自?xún)?nèi)核上并行運(yùn)行，大幅提升系統(tǒng)響應(yīng)速度與運(yùn)算效率。例如在動(dòng)力系統(tǒng)控制中，一顆內(nèi)核可專(zhuān)注于發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)時(shí)噴油與點(diǎn)火控制，另一顆負(fù)責(zé)變速器的換擋邏輯計(jì)算，第三顆則處理車(chē)身穩(wěn)定系統(tǒng)的傳感器數(shù)據(jù)，三者協(xié)同工作，使車(chē)輛動(dòng)力輸出更平順、換擋更精準(zhǔn)，同時(shí)保障行車(chē)穩(wěn)定性。例如，英飛凌推出的AURIX TC4x系列微控制器（MCU）采用了新一代TriCore1.8架構(gòu)，主頻達(dá)到500MHz，相較于上一代300MHz有了提升，并且支持虛擬化。這種架構(gòu)將應(yīng)用處理器（AP）、微控制器（MCU）以及數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）的功能整合，并且最多可集成6個(gè)CPU內(nèi)核，這些內(nèi)核協(xié)同工作，能夠同時(shí)處理多個(gè)復(fù)雜的任務(wù)，提高了數(shù)據(jù)處理效率。

　　多核與異構(gòu)架構(gòu)的融合，還推動(dòng)了汽車(chē)電子系統(tǒng)的集成化與輕量化。芯馳科技推出的E3650車(chē)規(guī)MCU采用ARM R52+鎖步多核架構(gòu)，通過(guò)異構(gòu)設(shè)計(jì)集成通信加速引擎與大容量存儲(chǔ)，單顆芯片即可支撐區(qū)域控制器的多任務(wù)處理需求，較傳統(tǒng)方案減少30%的硬件成本。

　　隨著汽車(chē)智能化向更深層次發(fā)展，多核與異構(gòu)架構(gòu)的邊界還在不斷拓展。未來(lái)，更多專(zhuān)用計(jì)算單元將被集成到MCU中，形成“通用計(jì)算+專(zhuān)用加速”的混合架構(gòu)，既能滿(mǎn)足自動(dòng)駕駛、車(chē)聯(lián)網(wǎng)等場(chǎng)景的高算力需求，又能保障車(chē)身控制、動(dòng)力管理等核心功能的實(shí)時(shí)性與安全性。

　　目前，汽車(chē)在越來(lái)越智能的同時(shí)，風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)也在隨之增多。Upstream Security發(fā)布的中提出，2023年，全球發(fā)生237起針對(duì)車(chē)載系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)攻擊事件，較2020年增長(zhǎng)3倍，其中不乏有專(zhuān)門(mén)針對(duì)MCU的攻擊手段，從而推動(dòng)了汽車(chē)MCU從“功能安全”向“功能安全+信息安全”雙維度防護(hù)升級(jí)。

　　瑞薩電子全球銷(xiāo)售與市場(chǎng)副總裁、瑞薩電子中國(guó)總裁賴(lài)長(zhǎng)青表示：“隨著自動(dòng)駕駛技術(shù)的不斷升級(jí)，對(duì)MCU的處理性能、安全性和可靠性要求也越來(lái)越高，其不僅需要支持復(fù)雜的操作系統(tǒng)和多任務(wù)處理，還需要滿(mǎn)足高級(jí)別的功能安全標(biāo)準(zhǔn)?！?/p>

　　在硬件層面，汽車(chē)MCU要確保在復(fù)雜的汽車(chē)環(huán)境中穩(wěn)定、安全地運(yùn)行。首先，高可靠性的硬件組件是基礎(chǔ)。車(chē)規(guī)級(jí)MCU選用的電子元件經(jīng)過(guò)嚴(yán)格篩選，具備穩(wěn)定性和抗干擾能力，能夠在-40℃至150℃的極端溫度范圍內(nèi)正常工作，還能承受汽車(chē)行駛過(guò)程中的強(qiáng)烈振動(dòng)和沖擊。

　　冗余設(shè)計(jì)同樣不可或缺。部分高端汽車(chē)MCU采用雙核鎖步技術(shù)，兩個(gè)核心同時(shí)執(zhí)行相同的指令，并相互校驗(yàn)結(jié)果。若其中一個(gè)核心出現(xiàn)故障，另一個(gè)核心能夠立即接管工作，確保系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)行。在自動(dòng)駕駛的決策系統(tǒng)中，雙核鎖步的MCU可以同時(shí)對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，兩個(gè)核心的處理結(jié)果相互比對(duì)，一旦發(fā)現(xiàn)差異，就表明可能存在故障，系統(tǒng)會(huì)及時(shí)采取相應(yīng)的安全措施，如啟動(dòng)備份系統(tǒng)或發(fā)出故障警報(bào)。

　　在軟件層面，汽車(chē)MCU同樣采取了多重安全保障措施，以應(yīng)對(duì)日益復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)安全威脅和系統(tǒng)穩(wěn)定性需求。

　　安全啟動(dòng)技術(shù)是第一道防線。它確保MCU在啟動(dòng)時(shí)加載的是經(jīng)過(guò)認(rèn)證的可信代碼。當(dāng)MCU上電啟動(dòng)時(shí)，會(huì)首先對(duì)存儲(chǔ)在內(nèi)部或外部存儲(chǔ)器中的啟動(dòng)代碼進(jìn)行數(shù)字簽名驗(yàn)證。只有簽名驗(yàn)證通過(guò)，證明代碼未被篡改且來(lái)源可信，MCU才會(huì)繼續(xù)執(zhí)行后續(xù)的啟動(dòng)流程。如果黑客試圖篡改啟動(dòng)代碼，簽名驗(yàn)證將失敗，MCU將拒絕啟動(dòng)，從而有效防止惡意代碼的植入。意法半導(dǎo)體的STM32MP1系列MCU采用硬件級(jí)_root of trust_（信任根），芯片上電時(shí)先驗(yàn)證固件簽名，只有通過(guò)認(rèn)證的程序才能運(yùn)行，從源頭阻止惡意代碼注入。

　　加密通信與入侵檢測(cè)構(gòu)成第二道屏障。在車(chē)聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，汽車(chē)MCU與外部設(shè)備或云端進(jìn)行通信時(shí)，會(huì)采用加密算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密處理。常用的加密算法如AES（高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)），能夠?qū)⒃紨?shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為密文進(jìn)行傳輸。當(dāng)接收方收到密文后，再使用相應(yīng)的密鑰進(jìn)行解密，恢復(fù)出原始數(shù)據(jù)。在車(chē)輛遠(yuǎn)程控制過(guò)程中，車(chē)主通過(guò)手機(jī)APP發(fā)送的控制指令在傳輸?shù)狡?chē)MCU時(shí)，會(huì)先經(jīng)過(guò)加密處理，即使數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中被黑客截獲，由于沒(méi)有正確的密鑰，黑客也無(wú)法獲取指令內(nèi)容，保證了車(chē)輛控制的安全性。

　　未來(lái)，汽車(chē)MCU將在現(xiàn)有技術(shù)趨勢(shì)的基礎(chǔ)上繼續(xù)深化發(fā)展，朝著更智能、更高效的方向邁進(jìn)。AI與汽車(chē)MCU的融合將更加深入，AI算法將不斷優(yōu)化，算力也將進(jìn)一步提升，使汽車(chē)能夠?qū)崿F(xiàn)更高級(jí)別的自動(dòng)駕駛功能。架構(gòu)創(chuàng)新也將MCU的集成度持續(xù)提升，未來(lái)的汽車(chē)MCU可能會(huì)集成更多的功能模塊，進(jìn)一步簡(jiǎn)化汽車(chē)電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，降低成本，提高系統(tǒng)的可靠性和性能。同時(shí)，安全問(wèn)題也會(huì)更被重視，讓駕駛體驗(yàn)更加安穩(wěn)。