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重大进展,NXP推出全球首款5纳米汽车MCU

05/10 14:58
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2024年3月底,NXP正式推出了全球首款5纳米汽车MCU,不过NXP并未称其为MCU,而是叫S32N55 Vehicle Super-Integration Processor,实际上它就是MCU,当然称其为SoC也未尝不可。它具备高级汽车MCU的典型特征,首先是具备一个高效率的强调实时性的运算核心,其次是具备高安全内核,最高可达ASIL-D级标准,再次是具备多种网络接口,包括CAN、LIN、FlexRay、车载以太网、CAN-FD、CAN-XL以及PCIe,CAN网络接口至少有15个。当然称其为MCU还是有些勉强,因为它没有嵌入式闪存,只有SRAM

S32N的E/E定位

图片来源:NXP

S32N有点像多个MCU的集成,以S32N55为例,是集成了车辆动态控制、车身、舒适、中央网关。

NXP的S32N系列处理器分布

图片来源:NXP

5纳米的S32N55是S32N系列的首款产品,将来还有三款产品,这个系列应该至少都是5纳米制造工艺,不排除有3纳米制造工艺。图上可以看出S32N55主要面对底盘、车身和网关领域的应用。

MCU是一个市场集中度很高的领域,2023年全球MCU市场大约298亿美元,前五厂家市场占有率超过80%。

图片来源:英飞凌

汽车MCU领域,英飞凌增长迅速,2020年还是全球第四,市场占有率不到10%,2024年已经成为全球第一,原本并列第一的瑞萨和NXP市场占有率快速下降,下降最快的则是德州仪器,从第三跌至第六。前五厂家市场占有率超过90%,国产汽车MCU的市场占有率估计不到2%。

图片来源:英飞凌

众所周知,相对汽车SoC,汽车MCU的制造工艺是很落后的,大部分国产汽车MCU是90纳米,稍微高端的是65纳米,国外高端主流的汽车MCU是40纳米制造工艺,比如英飞凌的TC39X(由美国格罗方德代工),瑞萨的RH850,NXP的i.MX系列,40纳米工艺已经有10年历史了。随着对MCU算力的增长,晶体管数量快速增加,汽车MCU的制造工艺在加速进化,2019年2月瑞萨第一个推出28纳米制造工艺的汽车MCU,即RH850/U2A。2023年4月瑞萨推出首款22纳米MCU,不过不是汽车领域。

2024年年初,英飞凌的TC49X系列也开始使用28纳米制造工艺,意法半导体则在CES2024上展出了28纳米汽车MCU样品。

最先进的还是NXP,NXP在2022年就推出了S32Z和S32E系列汽车MCU,采用了16纳米制造工艺,不过NXP称之为Safe and Secure High-Performance Real-Time Processors,本质上就是汽车MCU。

汽车MCU在40纳米制造工艺徘徊近十年,最主要的因素还是受限MCU内部的嵌入式闪存(eFlash)本身制程。闪存的制造工艺扩展到40nm以下非常困难,不仅要考虑各种参数和成本,同时很难集成到非常复杂的高K金属栅极技术中。也就是说先进工艺汽车MCU的关键不在MCU厂家本身,而在晶圆代工厂那里。随着汽车智能化和电动化,汽车MCU的嵌入式闪存容量暴增,比如采用更加先进的制造工艺和更先进的存储技术才能满足这个需求。四大MCU厂家中,瑞萨和NXP都选择了STT-MRAM,意法半导体的方向是PCM(相变存储器),也是计划在2024年量产,英飞凌则选择RRAM技术。

三种技术比较:

PCM RESET后的冷却过程需要高热导率,会带来更高功耗,且由于其存储原理是利用温度实现相变材料的阻值变化,所以对温度十分敏感,无法用在宽温场景。为了使相变材料兼容CMOS工艺,PCM必须采取多层结构,因此存储密度过低,在容量上无法替代NAND Flash,成本偏高。不过意法半导体称自己已经解决了这些缺点。

MRAM虽然性能较好,但临界电流密度和功耗仍需进一步降低。目前MRAM的存储单元尺寸仍较大且不支持堆叠,工艺较为复杂,大规模制造难以保证均一性,存储容量和良率爬坡缓慢。

RRAM,它的缺点是器件级变化性。器件级变化性直接关乎芯片的可靠性,但由于RRAM器件状态的转变需要透过给两端电极施加电压来控制氧离子在电场驱动下的漂移和在热驱动下的扩散两方面的运动,使得导电丝的三维形貌难以调控,再加上噪声的影响,因此容易造成器件级变化性,不过台积电解决了这个问题。貌似是几大MCU厂家在竞争,实际都是依靠台积电,瑞萨的MCU大部分也是台积电生产的。

MRAM的制造工艺可达16纳米,相信NXP的16纳米汽车MCU就是用了MRAM。

为什么要采用5纳米工艺制造MCU,需求主要来自三方面:

一方面电动车的车辆控制算法越来越复杂,特别是加入了智能驾驶以后,不仅需要常规的串行计算,还有并行计算乃至矢量或矩阵运算。车辆控制算法要求高实时性,延迟低于1毫秒,因此需要高算力。

另一方面软件系统越来越复杂,MCU上需要运行很多中间件和中小型的虚拟机和操作系统,这也会消耗大量算力。

最后是车身和舒适系统也变得越来越复杂,特别是座椅和车灯,也需要消耗大量算力。高算力意味着更多的晶体管数量,这就需要先进工艺的高晶体管密度,这里的算力不是AI算力,所谓AI算力基本上指的是矩阵乘法运算,汽车领域99%的运算都不是矩阵乘法。高算力催生了5纳米汽车处理器芯片。

回到S32N55,针对电机控制,S32N55有Automotive Math and Motor Control Library (AMMCLib)算子库,支持AUTOSAR和小型实时操作系统如Zephyr,支持AUTOSAR MCAL实时驱动RTD,支持Type1型虚拟机,支持平台内通讯协议栈IPCF,支持Safety Software Framework (SAF) 和Structural Core Self-Test (SCST)。

S32N55内部框架图

S32N55内部包含4个实时运算单元,每单元一个4核心的Cortex-R52。

R52典型制造工艺是16纳米,最高时钟频率大约1.6GHz,性能一般是2.72DMIPS/MHz,S32N55的R52频率是1.2GHz,算力就是16*1200*2.72=52KDMIPS,这个算力是国产智能驾驶主流芯片CPU算力的两倍,与德州仪器TDA4中档芯片的CPU算力持平。常见的底盘MCU如英飞凌的TC397,算力是1.3-4KDMIPS,不到S32N55的1/10。

S32N55主要特点

图片来源:NXP

S32N55拥有多达48MB的SRAM,传统汽车MCU如底盘界霸主英飞凌的TC397其SRAM容量最高不到7MB,如此高的容量如果还用传统的28或40纳米工艺,那成本会非常惊人。为了降低成本,S32N55内部没有NVM,采用外接的8通道Octal Nor Flash,毕竟嵌入式NVM最高容量也不过64MB,外接式可以轻易到256MB。

S32N55面向软件定义汽车而生,自然少不了虚拟原型Digital Twin和云端部署支持,这部分支持主要由Synopsys完成。

S32N55虚拟原型生态系统

图片来源:NXP

S32N55虚拟原型,可直接在ARM平台电脑上编程后直接上车,即最顶级的虚拟ECU

S32N55代表了软件定义汽车(SDV)时代MCU的设计。SDV时代,MCU的数量会减少30-60%,高集成高算力MCU是未来发展趋势。

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恩智浦半导体创立于2006年,其前身为荷兰飞利浦公司于1953年成立的半导体事业部,总部位于荷兰埃因霍温。恩智浦2010年在美国纳斯达克上市。恩智浦2010年在美国纳斯达克上市。恩智浦半导体致力于打造全球化解决方案,实现智慧生活,安全连结。

恩智浦半导体创立于2006年,其前身为荷兰飞利浦公司于1953年成立的半导体事业部,总部位于荷兰埃因霍温。恩智浦2010年在美国纳斯达克上市。恩智浦2010年在美国纳斯达克上市。恩智浦半导体致力于打造全球化解决方案,实现智慧生活,安全连结。收起

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