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[导读]汽车正在从硬件定义向软件定义转变,区域架构转换也正在进行中。虽然尚没有非常统一的区域设计范式,但大趋势是一致的:更多的功能性的集成,出现几个高层的处理中心,但同时低端的边缘节点的数量也会增加。

汽车正在从硬件定义向软件定义转变,区域架构转换也正在进行中。虽然尚没有非常统一的区域设计范式,但大趋势是一致的:更多的功能性的集成,出现几个高层的处理中心,但同时低端的边缘节点的数量也会增加。

伴随着这种趋势的发生,传统域控处理器已经不能满足当下需求。恩智浦于近日发布了新的实时处理器S32E和S32Z产品系列,通过更高性能、更高集成度、更高的可靠性和完整的硬件虚拟化,定义了新一代车用实时性处理器的标杆,助力软件定义汽车发展。


汽车新EE架构:软件定义带来汽车域控升级

在过去20年来汽车的传统架构一般都是由单一功能的ECU来进行连接,但随着汽车上功能的复杂化,愈来愈多的单一功能的ECU导致整个汽车内的布线变得像意大利面一样复杂和混乱。一辆小型汽车中大概会有20~30个ECU,而高端的大型车辆中则会超过100个。

随着越来越多的电动汽车、自动驾驶的普及,这对于汽车的架构提出了新的要求。汽车电子电气架构发生了向域和区域化转型的趋势。在域方面,主要是对软件进行了整合升级,使得部分ECU的功能都能集成到一个核心的域ECU上,区域化则更多考虑相邻位置的ECU功能的合并,简化了线束连接。

在之前的硬件定义汽车的时代,很多ECU都有不同的处理器,相互之间的协调并不顺畅,也很难进行实时OTA。恩智浦半导体产品和解决方案全球营销总监Brain Carlson表示,新的架构需要在汽车的整个生命周期中不断地进行升级,而且要允许车辆和云进行互动,通过这样的方式能够更好地对车辆进行技术的升级和软硬件的重新部署。这是未来汽车的根本性要求,也是OEM厂商在未来成功的关键。

虽然现在全球汽车制造商都在朝着不同版本的域和区域控制来发展,尚没有标准化的架构规范。但可以看到几乎全球的汽车制造商都在通过集成软件从而达到简化网络的目的。恩智浦半导体资深副总裁,汽车控制及网络解决方案产品线总经理Ray Cornyn表示,不同的软件来自不同的供应商,如何集成这些软件成为了挑战。关于软件定义汽车的概念,并不仅仅局限于信息娱乐系统,而是将会覆盖很多涉及到功能安全性和实时性要求极高的应用,所以需要新的架构,才能够符合未来汽车所需的性能。

在这样的背景下,恩智浦最新发布的S32Z和S32E,在高度集成的环境下实现实时控制,助力新一代软件定义汽车。


S32Z和S32E:新一代汽车实时域控处理器

恩智浦的S32系列芯片为汽车ECU提供了基础设施平台,关乎车辆行驶和运行的方方面面,包括车辆的运动、驾乘人员的舒适度、安全性,以及车辆整体的功能性。之前推出的S32K主要针对车身与舒适系统;S32G是网络处理器系列,针对汽车网络;而此次最新推出的S32Z和S32E为汽车实时处理器,主要针对车辆的动力学控制等安全实时类的应用。

S32Z和S32E是具备安全MCU关键确定性行为的全新处理器系列,提供出色的千兆级内核主频,多应用隔离和存储器扩展功能,可以多核互不干扰执行多任务实时处理,功能安全等级达到了ASIL-D,是软件定义汽车,跨域功能集成的理想选择。面向的具体应用包括制动系统、转向系统、电子稳定控制、牵引电机控制,以及电动汽车有关的一些电源转化、车载充电等等;这些应用都需要建立在实时、安全控制的基础上。

据悉,最先推出的S32Z2和S32E2均采用16nm工艺,包括8个Arm Cortex-R52内核、Cortex-M33、集成的Flash、LPDDR存储器,以及人工智能和机器学习的处理器。功能上既可以使用锁步核,也可以解锁,因此可以实现应用在8个处理器中的平行运行,也可以在两对锁步核和四个ASIL-B的解锁核上来处理。Ray Cornyn特别提到,关于S32E2,现在很多的客户都希望能把驱动功能也集成到器件当中,之前有一些做法是在边缘侧或区域控制器端的实现驱动功能,但同时也有客户希望能够把驱动功能融合到域控制器的主处理器当中。恩智浦的S32E就能满足这方面的需求,它在功能方面非常地强大,可以帮助客户实现这样的集成。在功能性、内核、和软件兼容方面,S32Z2和S32E2是统一的。作为车载处理器,S32Z和S32E可以和其他传统的控制器通过以太网和传统的CAN接口连接,恩智浦还和博世联合开发了CAN-XL接口来支持更多样化的连接。

【多租户架构:支持完整的硬件虚拟化】

S32Z和S32E的一大特色是其完整的硬件虚拟化的功能,从内核、内存、外设、到I/O口(CAN、以太网)都可以实现完全的虚拟化。通过内部硬件虚拟化隔离机制,每一个应用在虚拟的处理器上运行时都能够指定一组硬件资源集合,这样其他的应用就没有办法“盗取”它的资源,通过这样的设计保障使各个功能独立地运行。

如上图所示,左边是传统的混合动力汽车的集成控制,需要控制很多的电子电气部件:包括电机、传统的引擎等等。每一个MCU都是独立运行的,多个MCU相互之间通过一些串行通信接口连接。右边是通过S32Z和S32E平台运行虚拟ECU,多个独立的应用能够在同一个处理器芯片中同时运行。部署这些应用的硬件资源叫做“租户”,这样的架构即“多租户架构”。

多租户架构解决了软件定义汽车时代,新的区域控制架构上不同软件整合的问题。一个芯片上可以运行多个一级供应商的应用,相互之间透明而互不干扰,且这些应用可以通过OTA更新。恩智浦半导体大中华区资深市场经理余辰杰表示,此前推出的网络处理器S32G在车辆网络方面现在已经实现了多租户的服务导向架构,此次新推出的S32E和S32Z在支持多租户方面也能够做到这一点,大家能够独立运行自己的应用,并且相互之间不会干扰,这也是我们认为未来发展的趋势。

【新的市场方向上新的产品定位】

S32Z和S32E瞄准了当前汽车新电子电气架构演进过程中,对于高性能实时处理器的需求的市场空白,市场上似乎尚无同类的产品与之竞争。

目前市场有有一些同样是基于Cortex-R52内核的产品,但多是基于28nm工艺,主频局限于300~400MHz,并不能够支撑汽车高实时性处理的需求;而且在器件的集成度方面稍逊,相比S32E和S32Z的单颗芯片的高集成度产品,仍需较多外围器件才能达到同样的功能和性能。

此外非常重要的一点在于S32Z和S32E支持LPDDR接口的DRAM和Flash,这对于之后的拓展非常重要。尤其是在汽车行业,随着自动驾驶等应用的算法升级,涉及到整个汽车生命周期内的软件升级,行业对于内存的焦虑也很大,行业客户希望看到未来关于可拓展存储计算平台方面的路线图。

另外在ASIL-D的支持、硬件虚拟化以及信息安全等方面,S32Z和S32E也有很多来自恩智浦的技术沉淀。

【S32Z和S32E:拓宽低端和高端产品布局】

S32Z和S32E属于中端的产品,预计量产会在明年。恩智浦计划将会在2023年底推出低端的裁剪版本的Z1,未来还会推出S32Z、S32E和S32G的5nm工艺版本。

据悉,台积电的16nm已经非常稳定可靠,在汽车应用方面经过了大量的验证,具备足够的稳定性和可靠性。随着时间发展,未来5nm也会成为一种非常可靠的工艺,而且针对高性能处理器而已,5nm的工艺意味着更好的功耗管理和散热。


总结

“之前汽车行业对实时控制的普遍做法是通过较低性能的微控制器来实现相关的功能。我们今天所推出的产品也正传达出一个非常重要的信息,即恩智浦将微控制器的性能提升到了一个新高度。”Brain Carlson分享到,“不仅如此,我们也实现了硬件虚拟化,使得每一个功能都能独立于其他的功能来运行。通过这样的方式将实时性带上了一个新台阶,即实现更高的性能和集成度,可靠性和强大的硬件虚拟化机制。”

随着汽车架构不断向域和区域化演进,更高性能的域控处理器是市场迫切需求。在当前汽车区域架构的盲人摸象的发展阶段,S32E和S32Z可以助力新一代软件定义汽车的走的更快一些。


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