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安全性需求驱动车用IC设计演进
作者：电子工程专辑
日期：2007-12-25 17:44:04
摘要：为满足汽车消费者对舒适、安全、资讯以及娱乐的需求，以微控制器、微处理器为基础的系统正引爆各种新应用的诞生，以及汽车制造商与晶片公司之间的合作。11月初，在法国举办的一场“国际汽车电子大会(International Automotive Electronics Congress)”，即是因为半导体供应商与汽车制造商之间日益增加的合作，而举办的一场论坛。
为满足汽车消费者对舒适、安全、资讯以及娱乐的需求，以微控制器、微处理器为基础的系统正引爆各种新应用的诞生，以及汽车制造商与晶片公司之间的合作。11月初，在法国举办的一场“国际汽车电子大会(International Automotive Electronics Congress)”，即是因为半导体供应商与汽车制造商之间日益增加的合作，而举办的一场论坛。
不过根据该场会议所透露的讯息，尽管市场在短期之内对车用微控制器以及基于处理器的系统级晶片(SoC)存在巨大的需求，但长期的赢家将会是那些利用系统级(system-level)、整车(whole-vehicle)等方法，协助汽车製造商以较少的微控制器进行设计和电子整合的晶片及EDA供应商。
根据市场研究公司Databeans分析，汽车半导体市场在2006年总计为180亿美元，预计在2012年将达到290亿美元，平均年成长率为8%。另一家市场研究公司Frost & Sullivan则预测，在同一时段，主动式安全系统(active safety system)市场规模，将从大约130亿美元成长到213亿美元左右。
而此一成长趋势也在位居飞思卡尔(Freescale)与英飞凌(Infineon)之后，排名全球第三大的车用半导体供应商意法半导体(ST)的财报中证实。ST的汽车产品部门2006年销售额为13.6亿美元；而在1996年，该公司整个汽车产品线的销售额还不到4亿美元。ST在车用半导体市场的年複合成长率(CAGR) 预测为14%，高于该市场本身约6%的CAGR。而展望未来10年，ST计划维持10%以上的年複合成长率。
汽车市场提供芯片制造商前景看好的营收潜力，而汽车制造商也把芯片供应商视为协助其改善油耗效率、二氧化碳排放量以及安全性的途径。而事实上，各家汽车制造商也正面临必须进行以上改善的压力。
各国法规迫使汽车制造商寻求更环保与安全的技术
欧洲委员会(European Commission)企业和工业总局所属汽车单位的主管官员Reinhard Schulte-Braucks表示，汽车制造商必须协助减少二氧化碳排放量，以达到2012年120g/km的共同目标，并透过採用各种防撞术增强道路安全性。以上各项要求都详细记载在欧洲委员会所推动的「CARS 21」(Competitive Automotive Regulatory System of the 21st Century，21世纪竞争性汽车法规系统)策略之中。
雷诺汽车(Renault)电子工程网路总监Remi Bastien表示，强制性环保法规、高安全性汽车以及各种低成本技术为车厂带来了许多压力，而採用电子技术则是解决问题的关键。
「我们正处于两种平行趋势互补的连接点(context)，」Bastien表示：「消费者需求以及来自政府的环保要求正呈指数上升。每隔5年，对污染气体排放的标准要加倍，同时要求二氧化碳排放减少20%。此外消费者期望越来越多的舒适性、安全性，以及对远端资通讯系统的链接数量。遵循摩尔定律(Moore’s Law)的电子科技为因应这些挑战带来了许多机会；而我们也试图建立车厂与晶片供应商之间的双赢关係。」
Freescale资深副总裁暨该公司欧洲、中东以及非洲市场总经理Denis Griot指出，在1970年代，因美国加推行空气洁淨法桉(Clean Air Act)，使微控制器(MCU)首次进入汽车领域，以对引擎进行控制：「马达控制这种应用使MCU技术朝越来越好的方向演变；在过去的10年当中，MCU的运算性能已经增加了20倍，而资料数据处理能力增加了7倍。」
Griot表示，电子技术进军汽车的第一波是透过MCU的应用来对引擎进行控制，第二波则会是采用电子技术提升汽车的安全性：「车祸事故对欧洲经济带来的冲击影响，每年总计达到800亿欧元(约1,200亿美元)，因此我们对于安全性议题绝不能妥协。」
电子技术进军汽车的第二波攻势，必须得在车辆结构上做变化；Griot补充，诸如ABS、车辆安全性控制，以及乘员保护这样的功能，迄今为止都是彼此之间独立，不过这些功能之间必须彼此通讯以获得最佳化的安全性。此外，新型的驾驶员辅助系统──如自主巡航控制、车道偏离警报以及夜视、盲点侦测等功能也将被推出，这些都需要半导体感测器以及高性能的处理器、记忆体。
当把安全性应用到整个汽车系统时，关键是解决感测、启动(actuation)、通讯、互连、动力以及运算的可靠性问题。这意味着需要完全冗馀(redundancy)的安全性──这是由军事航太领域所开发的一种标准方法。
「透过晶片冗馀实现的安全性将是另一个技术突破，它将有助于将被动式安全推向主动式───甚至是预防性安全的演进；」Griot表示：「我们已与德国汽车零组件供应商Continental合作开发一种三核心解决方桉，这些核心会协同工作、自我控制，并提供降低能源消耗以及满足安全性及容错约束(fault-tolerance)所需要的运算以及控制性能。」
在其名为「Space」的设计专桉中，Freescale与Continental计划开发一款採用Freescale的Power架构之三核心、32位元MCU。
更具整合性的设计将是未来汽车系统发展趋势
此外Infineon也为汽车应用推出不同种类的MCU，包括Audo和Audo NG系列元件；此外还有结合了具独立週边设备控制处理器的TriCore MCU。这种架构据说适合于引擎控制以及其它动力系统应用所需的、决定论(deterministic)的即时性能。
「多核心方法潜力十足，也是我们策略的一部份；」Renault的Bastien表示：「不过这在短期内不会实现，因为我们并没有掌握每一个电子控制单元(ECU)；在动力系统部分，仅试过採用一个ECU对引擎和变速箱进行控制。关于Autosar汽车标准，我们可能会从众多微控制器当中选择一个来试产许多模组，但在2012年以前不会量产。」
至于Autosar标准将如与多核心处理器结合？在PSA Peugeot Citroen负责Autosar计画的Alain Gilberg表示，这得到2009年该计画完成时才会知道：「我们将继续进行Autosar标准订定工作，并且希望在将来能把多核心方法完全导入该标准。」
Griot则透露，已有应用于全面和整体整合(comprehensive and holistic integration)的技术建构模组(building block)问世，包括启动器、感测器以及微处理器。不过如何选择正确架构以及设计方法的挑战依旧。「我们必须首先把各种技术整合起来；」Griot并指出，Freescale与ST已在2007年签署了一项合作协议，以加速微处理器整合的过程。
Bastien表示：「Renault在系统方法上投入了庞大资源。例如，软体可以透过合适的演算法而消除对一些感测器的需求。系统的规模越大，在各供应商之间所需的合作协调也越多。在实际意义上，加速系统整合的最佳途径，就是与我们的供应商一起定义整合各种功能的可能性，以期能够提升晶片制造商最先进技术的价值。而Autosar就是实现这些整合的良好机会。」
「我们需要掌握全局系统方法并拥有一个全面的系统；」Gilberg表示：「我们需要这麽多ECU，就是因为系统被分割成许多部分。」
Infineon汽车系统资深主管Patrick Leteinturier也表示，对减少车辆中ECU的数量、以及减少它们之间的互连的需求，可望带来更为集中的架构的出现，因而提高效率及可靠性、降低複杂性并获得更高的成本效益。
Griot总结指出：「我们正处于一个转捩点──由软体带来的创新将超越硬体的创新。我认为，我们除了鼓励创新之外别无选择。我们需要采用软体/硬体自上而下(top-down)的架构方法进行突破；这种方法将使整个系统更为便宜且车辆更为安全。」
不过根据该场会议所透露的讯息，尽管市场在短期之内对车用微控制器以及基于处理器的系统级晶片(SoC)存在巨大的需求，但长期的赢家将会是那些利用系统级(system-level)、整车(whole-vehicle)等方法，协助汽车製造商以较少的微控制器进行设计和电子整合的晶片及EDA供应商。
根据市场研究公司Databeans分析，汽车半导体市场在2006年总计为180亿美元，预计在2012年将达到290亿美元，平均年成长率为8%。另一家市场研究公司Frost & Sullivan则预测，在同一时段，主动式安全系统(active safety system)市场规模，将从大约130亿美元成长到213亿美元左右。
而此一成长趋势也在位居飞思卡尔(Freescale)与英飞凌(Infineon)之后，排名全球第三大的车用半导体供应商意法半导体(ST)的财报中证实。ST的汽车产品部门2006年销售额为13.6亿美元；而在1996年，该公司整个汽车产品线的销售额还不到4亿美元。ST在车用半导体市场的年複合成长率(CAGR) 预测为14%，高于该市场本身约6%的CAGR。而展望未来10年，ST计划维持10%以上的年複合成长率。
汽车市场提供芯片制造商前景看好的营收潜力，而汽车制造商也把芯片供应商视为协助其改善油耗效率、二氧化碳排放量以及安全性的途径。而事实上，各家汽车制造商也正面临必须进行以上改善的压力。
各国法规迫使汽车制造商寻求更环保与安全的技术
欧洲委员会(European Commission)企业和工业总局所属汽车单位的主管官员Reinhard Schulte-Braucks表示，汽车制造商必须协助减少二氧化碳排放量，以达到2012年120g/km的共同目标，并透过採用各种防撞术增强道路安全性。以上各项要求都详细记载在欧洲委员会所推动的「CARS 21」(Competitive Automotive Regulatory System of the 21st Century，21世纪竞争性汽车法规系统)策略之中。
雷诺汽车(Renault)电子工程网路总监Remi Bastien表示，强制性环保法规、高安全性汽车以及各种低成本技术为车厂带来了许多压力，而採用电子技术则是解决问题的关键。
「我们正处于两种平行趋势互补的连接点(context)，」Bastien表示：「消费者需求以及来自政府的环保要求正呈指数上升。每隔5年，对污染气体排放的标准要加倍，同时要求二氧化碳排放减少20%。此外消费者期望越来越多的舒适性、安全性，以及对远端资通讯系统的链接数量。遵循摩尔定律(Moore’s Law)的电子科技为因应这些挑战带来了许多机会；而我们也试图建立车厂与晶片供应商之间的双赢关係。」
Freescale资深副总裁暨该公司欧洲、中东以及非洲市场总经理Denis Griot指出，在1970年代，因美国加推行空气洁淨法桉(Clean Air Act)，使微控制器(MCU)首次进入汽车领域，以对引擎进行控制：「马达控制这种应用使MCU技术朝越来越好的方向演变；在过去的10年当中，MCU的运算性能已经增加了20倍，而资料数据处理能力增加了7倍。」
Griot表示，电子技术进军汽车的第一波是透过MCU的应用来对引擎进行控制，第二波则会是采用电子技术提升汽车的安全性：「车祸事故对欧洲经济带来的冲击影响，每年总计达到800亿欧元(约1,200亿美元)，因此我们对于安全性议题绝不能妥协。」
电子技术进军汽车的第二波攻势，必须得在车辆结构上做变化；Griot补充，诸如ABS、车辆安全性控制，以及乘员保护这样的功能，迄今为止都是彼此之间独立，不过这些功能之间必须彼此通讯以获得最佳化的安全性。此外，新型的驾驶员辅助系统──如自主巡航控制、车道偏离警报以及夜视、盲点侦测等功能也将被推出，这些都需要半导体感测器以及高性能的处理器、记忆体。
当把安全性应用到整个汽车系统时，关键是解决感测、启动(actuation)、通讯、互连、动力以及运算的可靠性问题。这意味着需要完全冗馀(redundancy)的安全性──这是由军事航太领域所开发的一种标准方法。
「透过晶片冗馀实现的安全性将是另一个技术突破，它将有助于将被动式安全推向主动式───甚至是预防性安全的演进；」Griot表示：「我们已与德国汽车零组件供应商Continental合作开发一种三核心解决方桉，这些核心会协同工作、自我控制，并提供降低能源消耗以及满足安全性及容错约束(fault-tolerance)所需要的运算以及控制性能。」
在其名为「Space」的设计专桉中，Freescale与Continental计划开发一款採用Freescale的Power架构之三核心、32位元MCU。
更具整合性的设计将是未来汽车系统发展趋势
此外Infineon也为汽车应用推出不同种类的MCU，包括Audo和Audo NG系列元件；此外还有结合了具独立週边设备控制处理器的TriCore MCU。这种架构据说适合于引擎控制以及其它动力系统应用所需的、决定论(deterministic)的即时性能。
「多核心方法潜力十足，也是我们策略的一部份；」Renault的Bastien表示：「不过这在短期内不会实现，因为我们并没有掌握每一个电子控制单元(ECU)；在动力系统部分，仅试过採用一个ECU对引擎和变速箱进行控制。关于Autosar汽车标准，我们可能会从众多微控制器当中选择一个来试产许多模组，但在2012年以前不会量产。」
至于Autosar标准将如与多核心处理器结合？在PSA Peugeot Citroen负责Autosar计画的Alain Gilberg表示，这得到2009年该计画完成时才会知道：「我们将继续进行Autosar标准订定工作，并且希望在将来能把多核心方法完全导入该标准。」
Griot则透露，已有应用于全面和整体整合(comprehensive and holistic integration)的技术建构模组(building block)问世，包括启动器、感测器以及微处理器。不过如何选择正确架构以及设计方法的挑战依旧。「我们必须首先把各种技术整合起来；」Griot并指出，Freescale与ST已在2007年签署了一项合作协议，以加速微处理器整合的过程。
Bastien表示：「Renault在系统方法上投入了庞大资源。例如，软体可以透过合适的演算法而消除对一些感测器的需求。系统的规模越大，在各供应商之间所需的合作协调也越多。在实际意义上，加速系统整合的最佳途径，就是与我们的供应商一起定义整合各种功能的可能性，以期能够提升晶片制造商最先进技术的价值。而Autosar就是实现这些整合的良好机会。」
「我们需要掌握全局系统方法并拥有一个全面的系统；」Gilberg表示：「我们需要这麽多ECU，就是因为系统被分割成许多部分。」
Infineon汽车系统资深主管Patrick Leteinturier也表示，对减少车辆中ECU的数量、以及减少它们之间的互连的需求，可望带来更为集中的架构的出现，因而提高效率及可靠性、降低複杂性并获得更高的成本效益。
Griot总结指出：「我们正处于一个转捩点──由软体带来的创新将超越硬体的创新。我认为，我们除了鼓励创新之外别无选择。我们需要采用软体/硬体自上而下(top-down)的架构方法进行突破；这种方法将使整个系统更为便宜且车辆更为安全。」
