随着汽车产业朝着电动化、网联化、智能化、共享化的方向不断发展，对车规级微控制器(MCU)等电子零部件的需求也持续增长。MCU在汽车中的应用非常广泛，尤其是电动汽车，几乎每一个功能的实现背后都需要复杂的芯片组支撑——例如，8 位 MCU 主要用于风扇、空调、雨刷、天窗、车窗、座椅、门锁等低阶功能的控制;32 位 MCU 则主要用于智能仪表板、多媒体信息娱乐、车身动力总成和控制、辅助驾驶等高阶功能的控制。
Strategy Analytics的数据显示，传统燃油车各类芯片应用占比中最高的是MCU，为23%。一辆传统燃油车中需要的MCU数量约为40-70个，新能源车由于动力系统的改变，内燃机转为电驱动系统，至少要增加20%的MCU需求量。
虽然电动汽车推动了MCU市场的快速扩容，但汽车电子的品质标准要比消费性电子产品严格许多。要设计并生产出满足车规标准的MCU产品，首先要在环境温湿度、运行稳定性、可靠性、一致性和产品生命周期等方面，满足国际汽车电子协会针对车规级芯片推出的可靠性标准AEC-Q100，还要符合零失效(Zero Defect)的供应链质量管理标准IATF 16949规范，以及ISO 26262标准的ASIL功能安全保证级别。
长期以来，车规级MCU大部分的市场份额被英飞凌、恩智浦、意法半导体、瑞萨等国际大厂占据，国内车规MCU的国产化率不足5%。近年国内MCU厂商看到机遇，开始发力车规产品并成功通过验证，部分厂商已经量产车规级MCU并向汽车厂商供货。不过在国际大厂先发优势下，国内厂商面对车规MCU门槛高、验证周期长、前期投入大等挑战;在车身控制、动力总成等核心控制领域，主机厂出于安全性和可靠性的考虑，也会慎重采用国产MCU替换之前一直采用的国外产品。
本文将从硬件设计、软件生态、可靠性测试、车规认证以及与主机厂/Tier 1厂商合作模式等方面，重点探讨国产车规级MCU在技术和生态上的破局之路。
从商业级转型车规级，MCU厂商有多努力?
不同应用市场对MCU的规格要求不尽相同，根据MCU用途等级，一般可分为商业级、工业级、汽车级和军工级，对可靠性的要求由低到高。大部分本土MCU厂商是从商业级或工业级起家的，从营收来看，在经历了两年时间的高速成长之后，2022年之后国产MCU企业的营收在消费电子行业疲软后受到影像，开始普遍下滑。
而另一方面，近年来随着新能源汽车普及以及疫情导致汽车芯片缺货，汽车主机厂甚至一度因为缺芯面临减产。从国际MCU大厂的财报可以看出，2022年来自车规级产品的营收均实现大幅增长。
这让国产MCU企业看到了机遇，开始纷纷入局车规级蓝海市场。仅在2022年就有将近20家国内企业推出了车规级MCU产品，有些已经通过认证，有些还在认证之中，另有少部分企业的车规级MCU产品已经上车。
以兆易创新为例，工业类应用占比接近GD32 MCU年用量的一半，并且还在持续提升。但兆易创新生态市场经理徐杰认为，进入汽车市场是GD32 MCU产品家族不断迭代演进的必经之路，除了看重这一领域长期的蓝海属性外，兆易创新已有的产品规划和技术积累也为入局车规MCU市场做好了准备。据悉公司在2020年就开始了相关产品布局，经过两年多的开发验证，GD32A503系列车规级MCU已于2022年9月正式推出。
中微半导、国民技术等公司此前也一直重点关注家电消费、工业等领域，近年来随着汽车电子国产化趋势，在工业级产品大规模量产基础上纷纷正式入局汽车电子行业，并将其视为公司未来重要发展方向之一。代表产品有中微半导的BAT32A2系列，国民技术的N32A455系列等。
对于转型或升级，中微半导汽车电子事业部副总经理夏雨认为：“车规级MCU从设计、封装、测试、应用等各个环节都是全新的挑战。”首先，车规MCU从设计思路、品质管控到量产导入的难度，都是消费类产品无法比拟的，要求企业具有较强的技术实力，并且严格完成AEC-Q100认证，保证产品的可靠性、稳定性、一致性和“零”缺陷等。
在产品研发成功后，在汽车电子行业中的拓展及推广难度，也与消费类和工业类MCU大相径庭。国民技术市场总监程维认为，这是因为国产芯片在汽车上的应用落地起步较晚，在车企中的认可度不及国外芯片。
也有一些企业从成立之初就是奔着车规级产品去的，例如2012年就开始布局的芯旺微电子，其KungFu车规级MCU当时广泛应用于汽车后装市场。在经过几年对AEC-Q100标准的摸索后，于2019年设立A系列产品线，作为汽车级芯片推向汽车市场，实现了汽车前装产品的量产并发布32位汽车级MCU，入驻汽车领域中高端市场。随后推出的KF32A156/146/136等系列产品已广泛用于汽车中的各类末端控制单元中，而符合ASIL-B等级的KF32A158/168则将适配热管理、辅助驾驶、域控等更加复杂的应用。
2018年成立的芯驰科技也是一家有车规基因的公司，产品规划面向了未来汽车电子电气架构中最核心的芯片类别，产品覆盖智能座舱、智能驾驶、中央网关和高性能MCU。据芯驰科技市场总监何旭鹏介绍，芯驰拥有近20年车规级量产经验的国际水平团队，是国内为数不多的具有车规核心芯片产品定义、技术研发及大规模量产落地的整建制团队。
在车规认证方面，芯驰先后获得了ISO 26262功能安全流程认证、AEC-Q100可靠性认证、ISO26262功能安全产品认证以及国密认证，也是国内首个四证合一的车规芯片企业。
谈到做车规芯片的难度，何旭鹏以芯驰E3为例，这款MCU从2019年底开始研发，历时两年多于2022年4月正式发布，“虽然在性能和安全等级上创下多个第一，但在研发上，不管是从架构、IP设计、IP验证，还是整个系统的设计和验证，再到整个测试环节，都经历了非常多的挑战。”
在ISO 26262中，功能安全定义为：不存在由于电子/电气系统的功能异常表现引起的危险而导致的不合理风险。ISO 26262定义了四种汽车安全完整等级(ASIL，Automotive Safety Integrity Level)——ASIL A, ASIL B, ASIL C和ASIL D，其中ASIL A代表最低程度，ASIL D代表最高程度的汽车危险。
要达到ASIL D等级，整个芯片系统的诊断覆盖率要达到99%以上。也就是说在一个数亿晶体管组成的系统中，“某一个电路单元或是之间的连线有任何一点失效，都要能判断对整个芯片的输出有什么影响，要做到这一点非常困难。” 何旭鹏表示，“芯驰经历了数万个这类测试，很多时候需要在研发架构端时就将其定义清楚。因为每一种保护机制不一样，有的可能采用双核锁步，有的采用E2E(端到端)，要针对IP、接口的特性，选择相应的保护机制。”
以往做消费级MCU大多采用正向设计，工程师只需按照特定SPEC将芯片设计出来，并验证功能是否正确。但在设计车规级MCU时，考虑功能安全ASIL D就需要用到逆向思维——不是看电路设计出来能达到什么样的结果，而是在不知道它哪里会出错的情况下，预测电路会出现什么样的结果。
“在设计中考虑如何抗得住错误的结果，这才是最难的。” 何旭鹏说到，“这种逆向思维的设计方式，要求工程师每天都在想几个问题：如果这个地方错了会怎么样?那个地方错了会怎么样?只有通过各种流程和验证手段，才能把这些错误全部抓住。”
车规级与消费级的最大区别
目前，国内已经有不少企业量产了车规级MCU。这些目前已流片或量产的车规级产品中，大部分针对门窗、照明、区域控制器网关(Zonal)等车身域控制，或液晶仪表、抬头显示控制器、电子后视镜等座舱应用，也有汽车电机、电池管理系统(BMS)、智能驾驶(ADAS/AD)以及底盘类(Chassis)等高阶应用。但无论是针对车身中的中低阶还是高阶功能，在设计时都与消费类MCU有着很大的区别，例如功耗、集成度、安全性、计算能力、总线接口支持等。
芯旺微电子FAE总监卢恒洋表示，与应用于其它市场的MCU相比，车规级MCU更关注产品可靠性、耐高低温性能、对汽车专用网络通信接口的支持、汽车功能安全和信息安全的支持等方面。夏雨也认为，车规MCU产品首先应考虑的是对接口资源的支持，如CAN、LIN、FlexRay总线等，其次要考虑产品适配性以及是否有量产的成功案例参考等。
芯驰的控之芯E3系列MCU可以根据应用场景、车规温度等级以及功能安全等级细分出三个子系列，分别用于汽车的显示、车身以及电池和底盘等高可靠场景。何旭鹏从几个角度分享了车规MCU相比工业和消费级MCU的主要区别和特点：
安全性要求更高：由于车规MCU的应用场景一般是汽车电子系统中，因此对安全性的要求更高。这包括保护系统免受未经授权的访问、数据安全和完整性的保护等。因此，车规MCU需要提供更多的硬件和软件安全特性，例如加密和解密、数字签名和校验等功能。
集成度更高：为了减小系统的体积和功耗，车规MCU需要更高的集成度，可以包括更多的外设、计算单元、总线接口和更大的存储容量。
温度和电压范围更广：车规MCU需要支持更宽的温度和电压范围，以适应汽车环境中的极端温度，以及汽车电气系统中的不同电压水平。
可靠性更高：车规MCU需要更高的可靠性，以确保在汽车电子系统中长时间稳定运行。这包括采用更可靠的硬件设计、提供自我监测和故障检测机制、支持错误纠正码(ECC)等功能。
法规和认证要求更高：由于汽车电子系统是一项重要的安全和可靠性要求，车规MCU需要符合各种国际和地区的法规和认证标准。
生产流程也是车规和其他类别MCU的一个差异点。车规级MCU需要依托于完全符合车规AEC-Q100的生产产线，采用车规级工艺平台，遵循车规级设计理念和生产标准，“零失效”质量管控理念贯穿研发和生产流程各环节，特别强调预防系统控制和过程控制，符合车用高可靠性和稳定性要求。
表1：车规级、消费级、工业级芯片的环境和可靠性要求对比
迈向高端应用，还缺点啥?
国产芯片在逐步实现替代的过程中，先从中低端开始逐步积累经验，再过度到高端，这是一个合理且几乎不可避免的流程。如今国产车规MCU已经杀入大部分门槛较低的细分市场，之后要向自动驾驶、底盘或动力域等更高端的应用领域冲击，这就需要在一些短板技术上进行突破，具备核心的自研技术。
更高端的汽车应用场景，往往需要MCU承担更重要的任务，具备更强的算力、更大的资源以及更高的功能安全等级和信息安全。卢恒洋认为，国内MCU厂商必须考虑如何提升CPU的算力，提供符合应用场景的关键芯片功能模块，并保证整个系统达到最高的功能安全等级和符合国际及国内标准的信息安全。“这些都意味着芯片设计更加复杂，单纯的IP拼凑可能很难达到要求。”
何旭鹏也表达了相同的观点，他认为国产车规MCU在算力、稳定性、低功耗以及安全性方面仍有待加强，具体分析如下：
1、计算能力：高端应用需要更高的计算能力，以处理更复杂的算法和更多的数据。因此，车规MCU需要具备更快的处理速度、更高的并行计算能力和更多的存储空间。
2、稳定性：高端应用对系统稳定性的要求更高，尤其是在自动驾驶领域，任何一个小错误都可能导致严重的事故。因此，车规MCU需要具备更高的稳定性和可靠性，以确保系统运行的安全性。
3、低功耗：车规MCU需要具备更低的功耗，以满足电动化和节能的需求。特别是在自动驾驶领域，车规MCU需要同时保证高性能和低功耗，以延长电池寿命和行驶里程。
4、安全性：高端应用对安全性的要求更高，因此车规MCU需要具备更高的安全性，以保护系统免受黑客攻击和恶意软件的威胁。
为了实现以上突破，何旭鹏认为国产车规MCU需要具备以下核心自研技术：
高性能计算架构：车规MCU需要开发适合高性能计算的架构，包括更快的处理器、更多的处理器核心和更多的存储空间。
强大的算法库：车规MCU需要开发强大的算法库，以处理更复杂的算法和更多的数据，包括机器学习、计算机视觉、语音识别等。
先进的功耗管理技术：车规MCU需要开发先进的功耗管理技术，包括智能睡眠、动态频率调整等，以实现高性能和低功耗的平衡。
安全性设计：车规MCU需要采用多层次安全性设计，包括硬件加密、软件防火墙、安全启动等，以保障系统的安全性。
除了现有的车规级MCU产品组合，兆易创新认为提供更先进的单核、多核、锁步、混合模式的处理器内核架构和多种增强型外设功能，软硬件架构平台化，能够支持未来高端汽车应用在高算力、高安全性和可靠性上的要求。此外，徐杰认为厂商需要不断积累和完善自研的车规级IP库，“兆易创新的IP库包含了各类数字及模拟IP，均经过几亿颗成熟量产检验，可有效加速车规MCU产品布局与迭代更新。国产厂商应该注重持续积累技术经验，才能提升行业竞争力。”
让产品符合AEC-Q100 Grade 1可靠性和安全性标准，并取得ISO 26262功能安全标准ASIL B甚至更高的ASIL D等级认证，是车规MCU进入域控、动力总成等更多高端车用场景的必需条件。徐杰认为，由于车规级MCU迭代周期长，对芯片质量的要求符合小于1 DPPM (Defective Parts Per Million，是指百万分比的缺陷率)的低失效率，对芯片原厂的质量体系建设、良品率、产品一致性和可靠性等品控能力也提出了更高的要求。
夏雨提到的用于底层驱动的AUTOSAR RTE平台搭建及MCAL认证，也是各家厂商的关注重点。AUTOSAR全称为Automotive Open System Architecture(汽车开放系统架构),是由全球各大汽车整车厂、汽车零部件供应商、汽车电子软件系统公司联合建立的一套标准协议。这套规范的运用使得不同结构的电子控制单元的接口特征标准化，应用软件具备更好的可扩展性以及可移植性，使用AUTOSAR后，如果某个ECU需要更换MCU芯片，那么只需要使用芯片厂商提供的MCAL生成工具生成MCAL代码，将这部分替换之前的MCAL代码即可。
最后在制造环节，国外车规MCU大厂基本都是IDM模式，而国内大部分为Fabless，无法单独进行IATF16949这类流片和封装阶段的标准认证。但这对于国产车规MCU企业似乎并未造成太大影响，几家受访厂商均表示合作的上游厂商如晶圆厂、封测厂均可提供IATF16949资质，严格验证及测试并不影响其车规级MCU的稳定性和可靠性。
程维也从另一角度表示，IDM和Fabless+Foundry有各自不同的优势，“虽然有自己FAB的设计公司，对产能具备更好的掌控度，但随着芯片工艺的演进，越先进的工艺其新产线投入的成本也会越高。未来汽车芯片工艺绝大部分会向28nm及更先进的工艺迭代，国外芯片原厂在此工艺上基本会选择代工模式是行业趋势，也是最具性价比的方式。”
生态的布局
一款汽车MCU的成功，从来就不是把硬件做出来这么简单，从软件、操作系统，到测试验证，再到与主机厂和Tier 1的合作落地，国产MCU布局汽车生态需要抓住的关键点很多。
卢恒洋认为，汽车电子的生态可以简单理解为开发生态和产品生态，开发生态包含工具链的全面适配、AUTOSAR软件的支持等，“芯旺自研处理器内核提供了完整的开发工具链，同时可提供MCAL支持用户端AUTOSAR软件的开发。”产品生态则是多元化汽车芯片种类，提供以MCU为核心的汽车芯片解决方案。
夏雨也持相同观点，他认为在产品平台搭建方面，产品要系列化、矩阵化，这是很多车企愿意合作的前提。所以除了MCU，中微半导还提供接口芯片、驱动芯片、SBC、模拟芯片、功率器件及开发软件等一站式服务，如此能吸引更多Tier 1供应商和整车厂，建立长期战略合作关系，共同搭建产业生态。
而在工具生态链上，他认为国产MCU厂商需要强化与支持国际通行的IDE厂商合作(如IAR、KEIL、GCC)、MCAL完善、AUTOSAR RTE搭建等，并尽可能满足车规产品的各种试验要求。据悉，目前最新发布的IAR Embedded Workbench for Arm 9.32版本工具链已全面支持兆易创新GD32系列、中微半导车规级BAT32A系列等国产车规MCU。
联合Foundry、主机厂或自建实验室，是国产MCU布局汽车生态的另一个关键点，中微半导已在积极推动CNAS实验室的认证计划。这类合作可以提高国产MCU的技术研发能力和生产能力，使其更好地满足汽车行业的需求，同时也可以降低成本，提高竞争力。目前国际MCU大厂拥有的一些富有竞争力的车规级IP，很多都来自于与晶圆厂的联合开发。
芯驰方面从2019年开始积极建立生态圈，目前已经有超过200多家生态合作伙伴。何旭鹏认为,如今汽车行业中软件和操作系统的重要性日益增加，因此，与软件和操作系统厂商更紧密的合作可以帮助国产MCU加强与车载操作系统的兼容性，加快软件开发速度，提高系统性能。除了大家都提到的AUTOSAR，还包括显示中间件厂商以及软件IDH等。
在整体产品方案布局上，他也认为国产MCU厂商需要矩阵化，提供整体的汽车电子产品方案，包括与MCU搭配的其他车规半导体产品，如传感器、功率器件、通信芯片等。“这有助于提高产品的集成度和可靠性，同时也可以提高产品的附加值。比如芯驰就与其他芯片厂商合作，完成了前视一体机的参考设计。”
此外何旭鹏还表示，与主机厂及Tier 1合作定制产品是国产MCU布局汽车生态的重要一环，“国产MCU厂商可以通过这类合作，更好地了解市场需求和技术趋势，提供符合市场需求的产品，同时也可以增加市场占有率。” 同时国产替代也能在某种程度上让国产汽车的供应链更安全和自主可控，因此近两年在电动汽车普及和汽车芯片产能紧缺的大环境下，国内车企开始主动尝试采用优质国产MCU，这也是国产MCU企业杀入汽车市场的黄金窗口期。
车规MCU国产化的机遇和挑战
当前在“新四化”的推动下，汽车产品形态正在不断转变，同时技术演进也在持续进行，诸如分布式向域控制、中央集成计算转变，以及软件定义汽车等，都在催生汽车电子行业更大的变革。
另一方面，以往全球化的半导体供应链在地缘政治驱使下，也在发生转移，芯片自主可控将是未来的大趋势。种种外部环境对于当下的国产车规级MCU来说，既是机会，又是挑战。
卢恒洋认为，新能源汽车数字化功能的发展，推动了汽车电子电气架构的演进，域控制器和区域控制器不仅实现了功能的向上集成，也可以实现软件定义汽车的目标。控制器以同类功能或区域位置进行集成，对MCU的性能、集成度、功能安全和信息安全要求将会不断增大。“对软件的统一架构和安全性也提出了挑战，在这种变革下，国产MCU芯片可以从实现国产替代，转变成助力国产创新，通过市场新需求来实现产品创新。”
芯驰具体分析了未来汽车MCU芯片需求集中的几个方面，首先是高性能、高安全的车规芯片。由于未来汽车将面向域控制器架构，甚至中央计算平台架构进行设计，在这种形势下，汽车MCU芯片的性能需求在不断提升，“原来大家认为已经能满足要求的MCU，随着越来越多功能的集成，CPU的性能和存储容量都逐渐变得无法满足要求，使得整个系统性能遇到瓶颈。” 何旭鹏说到，只有高性能、高安全的MCU才能支撑起越来越丰富、定制化的智能电动化需求，同时满足最高等级的功能安全、性能安全和信息安全认证。
其次，为了能够灵活匹配不同主机厂电子电气架构演进的节奏，还需要平台化设计、可升级的芯片。“芯驰E3系列就是这样的例子，通过与主机厂共同探讨和研发，提供更大算力的MCU，更快推进终端产品的落地量产。” 何旭鹏补充道。
在《电子工程专辑》与各家国产MCU厂商沟通过程中发现，大家均认为无论在硬件还是软件方面，汽车电子的国产化一定是未来趋势。一般来说，车规级MCU从研发到商用上车需要3-5年时间，从2018年前后大量厂商入局算起，2023年将是最关键的一年。但要实现上车目标，除了国产MCU厂商自身加强技术体系建设外，还需要Foundry的配合，以及国产主机厂给予更多关注。
根据中国汽车协会的数据，2022年中国新能源乘用车销量相比2021年几乎翻了一番。但爆发式增长后可能会迎来增速放缓，中汽协预计，2023年新能源乘用车的增量和增速均将低于2022年。下游市场放缓意味着对上游半导体需求的放缓，芯片整合度提高也会影响到每辆车上MCU的用量，只有上下游合作伙伴齐心协力，才能紧紧抓住今年的窗口期，推动国产MCU在汽车行业中加速落地。