軟件定義汽車，區(qū)域架構(gòu)升級(jí)需要新一代的實(shí)時(shí)處理器

汽車正在從硬件定義向軟件定義轉(zhuǎn)變，區(qū)域架構(gòu)轉(zhuǎn)換也正在進(jìn)行中。雖然尚沒有非常統(tǒng)一的區(qū)域設(shè)計(jì)范式，但大趨勢(shì)是一致的：更多的功能性的集成，出現(xiàn)幾個(gè)高層的處理中心，但同時(shí)低端的邊緣節(jié)點(diǎn)的數(shù)量也會(huì)增加。

伴隨著這種趨勢(shì)的發(fā)生，傳統(tǒng)域控處理器已經(jīng)不能滿足當(dāng)下需求。恩智浦于近日發(fā)布了新的實(shí)時(shí)處理器S32E和S32Z產(chǎn)品系列，通過更高性能、更高集成度、更高的可靠性和完整的硬件虛擬化，定義了新一代車用實(shí)時(shí)性處理器的標(biāo)桿，助力軟件定義汽車發(fā)展。

汽車新EE架構(gòu)：軟件定義帶來汽車域控升級(jí)

在過去20年來汽車的傳統(tǒng)架構(gòu)一般都是由單一功能的ECU來進(jìn)行連接，但隨著汽車上功能的復(fù)雜化，愈來愈多的單一功能的ECU導(dǎo)致整個(gè)汽車內(nèi)的布線變得像意大利面一樣復(fù)雜和混亂。一輛小型汽車中大概會(huì)有20～30個(gè)ECU，而高端的大型車輛中則會(huì)超過100個(gè)。

隨著越來越多的電動(dòng)汽車、自動(dòng)駕駛的普及，這對(duì)于汽車的架構(gòu)提出了新的要求。汽車電子電氣架構(gòu)發(fā)生了向域和區(qū)域化轉(zhuǎn)型的趨勢(shì)。在域方面，主要是對(duì)軟件進(jìn)行了整合升級(jí)，使得部分ECU的功能都能集成到一個(gè)核心的域ECU上，區(qū)域化則更多考慮相鄰位置的ECU功能的合并，簡(jiǎn)化了線束連接。

在之前的硬件定義汽車的時(shí)代，很多ECU都有不同的處理器，相互之間的協(xié)調(diào)并不順暢，也很難進(jìn)行實(shí)時(shí)OTA。恩智浦半導(dǎo)體產(chǎn)品和解決方案全球營(yíng)銷總監(jiān)Brain Carlson表示，新的架構(gòu)需要在汽車的整個(gè)生命周期中不斷地進(jìn)行升級(jí)，而且要允許車輛和云進(jìn)行互動(dòng)，通過這樣的方式能夠更好地對(duì)車輛進(jìn)行技術(shù)的升級(jí)和軟硬件的重新部署。這是未來汽車的根本性要求，也是OEM廠商在未來成功的關(guān)鍵。

雖然現(xiàn)在全球汽車制造商都在朝著不同版本的域和區(qū)域控制來發(fā)展，尚沒有標(biāo)準(zhǔn)化的架構(gòu)規(guī)范。但可以看到幾乎全球的汽車制造商都在通過集成軟件從而達(dá)到簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)的目的。恩智浦半導(dǎo)體資深副總裁，汽車控制及網(wǎng)絡(luò)解決方案產(chǎn)品線總經(jīng)理Ray Cornyn表示，不同的軟件來自不同的供應(yīng)商，如何集成這些軟件成為了挑戰(zhàn)。關(guān)于軟件定義汽車的概念，并不僅僅局限于信息娛樂系統(tǒng)，而是將會(huì)覆蓋很多涉及到功能安全性和實(shí)時(shí)性要求極高的應(yīng)用，所以需要新的架構(gòu)，才能夠符合未來汽車所需的性能。

在這樣的背景下，恩智浦最新發(fā)布的S32Z和S32E，在高度集成的環(huán)境下實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制，助力新一代軟件定義汽車。

S32Z和S32E：新一代汽車實(shí)時(shí)域控處理器

恩智浦的S32系列芯片為汽車ECU提供了基礎(chǔ)設(shè)施平臺(tái)，關(guān)乎車輛行駛和運(yùn)行的方方面面，包括車輛的運(yùn)動(dòng)、駕乘人員的舒適度、安全性，以及車輛整體的功能性。之前推出的S32K主要針對(duì)車身與舒適系統(tǒng)；S32G是網(wǎng)絡(luò)處理器系列，針對(duì)汽車網(wǎng)絡(luò)；而此次最新推出的S32Z和S32E為汽車實(shí)時(shí)處理器，主要針對(duì)車輛的動(dòng)力學(xué)控制等安全實(shí)時(shí)類的應(yīng)用。

S32Z和S32E是具備安全MCU關(guān)鍵確定性行為的全新處理器系列，提供出色的千兆級(jí)內(nèi)核主頻，多應(yīng)用隔離和存儲(chǔ)器擴(kuò)展功能，可以多核互不干擾執(zhí)行多任務(wù)實(shí)時(shí)處理，功能安全等級(jí)達(dá)到了ASIL-D，是軟件定義汽車，跨域功能集成的理想選擇。面向的具體應(yīng)用包括制動(dòng)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、電子穩(wěn)定控制、牽引電機(jī)控制，以及電動(dòng)汽車有關(guān)的一些電源轉(zhuǎn)化、車載充電等等；這些應(yīng)用都需要建立在實(shí)時(shí)、安全控制的基礎(chǔ)上。

據(jù)悉，最先推出的S32Z2和S32E2均采用16nm工藝，包括8個(gè)Arm Cortex-R52內(nèi)核、Cortex-M33、集成的Flash、LPDDR存儲(chǔ)器，以及人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)的處理器。功能上既可以使用鎖步核，也可以解鎖，因此可以實(shí)現(xiàn)應(yīng)用在8個(gè)處理器中的平行運(yùn)行，也可以在兩對(duì)鎖步核和四個(gè)ASIL-B的解鎖核上來處理。Ray Cornyn特別提到，關(guān)于S32E2，現(xiàn)在很多的客戶都希望能把驅(qū)動(dòng)功能也集成到器件當(dāng)中，之前有一些做法是在邊緣側(cè)或區(qū)域控制器端的實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)功能，但同時(shí)也有客戶希望能夠把驅(qū)動(dòng)功能融合到域控制器的主處理器當(dāng)中。恩智浦的S32E就能滿足這方面的需求，它在功能方面非常地強(qiáng)大，可以幫助客戶實(shí)現(xiàn)這樣的集成。在功能性、內(nèi)核、和軟件兼容方面，S32Z2和S32E2是統(tǒng)一的。作為車載處理器，S32Z和S32E可以和其他傳統(tǒng)的控制器通過以太網(wǎng)和傳統(tǒng)的CAN接口連接，恩智浦還和博世聯(lián)合開發(fā)了CAN-XL接口來支持更多樣化的連接。

【多租戶架構(gòu)：支持完整的硬件虛擬化】

S32Z和S32E的一大特色是其完整的硬件虛擬化的功能，從內(nèi)核、內(nèi)存、外設(shè)、到I/O口（CAN、以太網(wǎng)）都可以實(shí)現(xiàn)完全的虛擬化。通過內(nèi)部硬件虛擬化隔離機(jī)制，每一個(gè)應(yīng)用在虛擬的處理器上運(yùn)行時(shí)都能夠指定一組硬件資源集合，這樣其他的應(yīng)用就沒有辦法“盜取”它的資源，通過這樣的設(shè)計(jì)保障使各個(gè)功能獨(dú)立地運(yùn)行。

如上圖所示，左邊是傳統(tǒng)的混合動(dòng)力汽車的集成控制，需要控制很多的電子電氣部件：包括電機(jī)、傳統(tǒng)的引擎等等。每一個(gè)MCU都是獨(dú)立運(yùn)行的，多個(gè)MCU相互之間通過一些串行通信接口連接。右邊是通過S32Z和S32E平臺(tái)運(yùn)行虛擬ECU，多個(gè)獨(dú)立的應(yīng)用能夠在同一個(gè)處理器芯片中同時(shí)運(yùn)行。部署這些應(yīng)用的硬件資源叫做“租戶”，這樣的架構(gòu)即“多租戶架構(gòu)”。

多租戶架構(gòu)解決了軟件定義汽車時(shí)代，新的區(qū)域控制架構(gòu)上不同軟件整合的問題。一個(gè)芯片上可以運(yùn)行多個(gè)一級(jí)供應(yīng)商的應(yīng)用，相互之間透明而互不干擾，且這些應(yīng)用可以通過OTA更新。恩智浦半導(dǎo)體大中華區(qū)資深市場(chǎng)經(jīng)理余辰杰表示，此前推出的網(wǎng)絡(luò)處理器S32G在車輛網(wǎng)絡(luò)方面現(xiàn)在已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了多租戶的服務(wù)導(dǎo)向架構(gòu)，此次新推出的S32E和S32Z在支持多租戶方面也能夠做到這一點(diǎn)，大家能夠獨(dú)立運(yùn)行自己的應(yīng)用，并且相互之間不會(huì)干擾，這也是我們認(rèn)為未來發(fā)展的趨勢(shì)。

【新的市場(chǎng)方向上新的產(chǎn)品定位】

S32Z和S32E瞄準(zhǔn)了當(dāng)前汽車新電子電氣架構(gòu)演進(jìn)過程中，對(duì)于高性能實(shí)時(shí)處理器的需求的市場(chǎng)空白，市場(chǎng)上似乎尚無同類的產(chǎn)品與之競(jìng)爭(zhēng)。

目前市場(chǎng)有有一些同樣是基于Cortex-R52內(nèi)核的產(chǎn)品，但多是基于28nm工藝，主頻局限于300～400MHz，并不能夠支撐汽車高實(shí)時(shí)性處理的需求；而且在器件的集成度方面稍遜，相比S32E和S32Z的單顆芯片的高集成度產(chǎn)品，仍需較多外圍器件才能達(dá)到同樣的功能和性能。

此外非常重要的一點(diǎn)在于S32Z和S32E支持LPDDR接口的DRAM和Flash，這對(duì)于之后的拓展非常重要。尤其是在汽車行業(yè)，隨著自動(dòng)駕駛等應(yīng)用的算法升級(jí)，涉及到整個(gè)汽車生命周期內(nèi)的軟件升級(jí)，行業(yè)對(duì)于內(nèi)存的焦慮也很大，行業(yè)客戶希望看到未來關(guān)于可拓展存儲(chǔ)計(jì)算平臺(tái)方面的路線圖。

另外在ASIL-D的支持、硬件虛擬化以及信息安全等方面，S32Z和S32E也有很多來自恩智浦的技術(shù)沉淀。

【S32Z和S32E：拓寬低端和高端產(chǎn)品布局】

S32Z和S32E屬于中端的產(chǎn)品，預(yù)計(jì)量產(chǎn)會(huì)在明年。恩智浦計(jì)劃將會(huì)在2023年底推出低端的裁剪版本的Z1，未來還會(huì)推出S32Z、S32E和S32G的5nm工藝版本。

據(jù)悉，臺(tái)積電的16nm已經(jīng)非常穩(wěn)定可靠，在汽車應(yīng)用方面經(jīng)過了大量的驗(yàn)證，具備足夠的穩(wěn)定性和可靠性。隨著時(shí)間發(fā)展，未來5nm也會(huì)成為一種非?？煽康墓に嚕裔槍?duì)高性能處理器而已，5nm的工藝意味著更好的功耗管理和散熱。

總結(jié)

“之前汽車行業(yè)對(duì)實(shí)時(shí)控制的普遍做法是通過較低性能的微控制器來實(shí)現(xiàn)相關(guān)的功能。我們今天所推出的產(chǎn)品也正傳達(dá)出一個(gè)非常重要的信息，即恩智浦將微控制器的性能提升到了一個(gè)新高度?！盉rain Carlson分享到，“不僅如此，我們也實(shí)現(xiàn)了硬件虛擬化，使得每一個(gè)功能都能獨(dú)立于其他的功能來運(yùn)行。通過這樣的方式將實(shí)時(shí)性帶上了一個(gè)新臺(tái)階，即實(shí)現(xiàn)更高的性能和集成度，可靠性和強(qiáng)大的硬件虛擬化機(jī)制?！?

隨著汽車架構(gòu)不斷向域和區(qū)域化演進(jìn)，更高性能的域控處理器是市場(chǎng)迫切需求。在當(dāng)前汽車區(qū)域架構(gòu)的盲人摸象的發(fā)展階段，S32E和S32Z可以助力新一代軟件定義汽車的走的更快一些。