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安全性需求驅(qū)動車用IC設(shè)計演進
作者:電子工程專輯
日期:2007-12-25 17:44:04
摘要:為滿足汽車消費者對舒適、安全、資訊以及娛樂的需求,以微控制器、微處理器為基礎(chǔ)的系統(tǒng)正引爆各種新應(yīng)用的誕生,以及汽車制造商與晶片公司之間的合作。11月初,在法國舉辦的一場“國際汽車電子大會(International Automotive Electronics Congress)”,即是因為半導(dǎo)體供應(yīng)商與汽車制造商之間日益增加的合作,而舉辦的一場論壇。
為滿足汽車消費者對舒適、安全、資訊以及娛樂的需求,以微控制器、微處理器為基礎(chǔ)的系統(tǒng)正引爆各種新應(yīng)用的誕生,以及汽車制造商與晶片公司之間的合作。11月初,在法國舉辦的一場“國際汽車電子大會(International Automotive Electronics Congress)”,即是因為半導(dǎo)體供應(yīng)商與汽車制造商之間日益增加的合作,而舉辦的一場論壇。
不過根據(jù)該場會議所透露的訊息,盡管市場在短期之內(nèi)對車用微控制器以及基于處理器的系統(tǒng)級晶片(SoC)存在巨大的需求,但長期的贏家將會是那些利用系統(tǒng)級(system-level)、整車(whole-vehicle)等方法,協(xié)助汽車製造商以較少的微控制器進行設(shè)計和電子整合的晶片及EDA供應(yīng)商。
根據(jù)市場研究公司Databeans分析,汽車半導(dǎo)體市場在2006年總計為180億美元,預(yù)計在2012年將達到290億美元,平均年成長率為8%。另一家市場研究公司Frost & Sullivan則預(yù)測,在同一時段,主動式安全系統(tǒng)(active safety system)市場規(guī)模,將從大約130億美元成長到213億美元左右。
而此一成長趨勢也在位居飛思卡爾(Freescale)與英飛凌(Infineon)之后,排名全球第三大的車用半導(dǎo)體供應(yīng)商意法半導(dǎo)體(ST)的財報中證實。ST的汽車產(chǎn)品部門2006年銷售額為13.6億美元;而在1996年,該公司整個汽車產(chǎn)品線的銷售額還不到4億美元。ST在車用半導(dǎo)體市場的年複合成長率(CAGR) 預(yù)測為14%,高于該市場本身約6%的CAGR。而展望未來10年,ST計劃維持10%以上的年複合成長率。
汽車市場提供芯片制造商前景看好的營收潛力,而汽車制造商也把芯片供應(yīng)商視為協(xié)助其改善油耗效率、二氧化碳排放量以及安全性的途徑。而事實上,各家汽車制造商也正面臨必須進行以上改善的壓力。
各國法規(guī)迫使汽車制造商尋求更環(huán)保與安全的技術(shù)
歐洲委員會(European Commission)企業(yè)和工業(yè)總局所屬汽車單位的主管官員Reinhard Schulte-Braucks表示,汽車制造商必須協(xié)助減少二氧化碳排放量,以達到2012年120g/km的共同目標,并透過採用各種防撞術(shù)增強道路安全性。以上各項要求都詳細記載在歐洲委員會所推動的「CARS 21」(Competitive Automotive Regulatory System of the 21st Century,21世紀競爭性汽車法規(guī)系統(tǒng))策略之中。
雷諾汽車(Renault)電子工程網(wǎng)路總監(jiān)Remi Bastien表示,強制性環(huán)保法規(guī)、高安全性汽車以及各種低成本技術(shù)為車廠帶來了許多壓力,而採用電子技術(shù)則是解決問題的關(guān)鍵。
「我們正處于兩種平行趨勢互補的連接點(context),」Bastien表示:「消費者需求以及來自政府的環(huán)保要求正呈指數(shù)上升。每隔5年,對污染氣體排放的標準要加倍,同時要求二氧化碳排放減少20%。此外消費者期望越來越多的舒適性、安全性,以及對遠端資通訊系統(tǒng)的鏈接數(shù)量。遵循摩爾定律(Moore’s Law)的電子科技為因應(yīng)這些挑戰(zhàn)帶來了許多機會;而我們也試圖建立車廠與晶片供應(yīng)商之間的雙贏關(guān)係?!?nbsp;
Freescale資深副總裁暨該公司歐洲、中東以及非洲市場總經(jīng)理Denis Griot指出,在1970年代,因美國加推行空氣潔淨(jìng)法桉(Clean Air Act),使微控制器(MCU)首次進入汽車領(lǐng)域,以對引擎進行控制:「馬達控制這種應(yīng)用使MCU技術(shù)朝越來越好的方向演變;在過去的10年當(dāng)中,MCU的運算性能已經(jīng)增加了20倍,而資料數(shù)據(jù)處理能力增加了7倍?!?nbsp;
Griot表示,電子技術(shù)進軍汽車的第一波是透過MCU的應(yīng)用來對引擎進行控制,第二波則會是采用電子技術(shù)提升汽車的安全性:「車禍事故對歐洲經(jīng)濟帶來的沖擊影響,每年總計達到800億歐元(約1,200億美元),因此我們對于安全性議題絕不能妥協(xié)。」
電子技術(shù)進軍汽車的第二波攻勢,必須得在車輛結(jié)構(gòu)上做變化;Griot補充,諸如ABS、車輛安全性控制,以及乘員保護這樣的功能,迄今為止都是彼此之間獨立,不過這些功能之間必須彼此通訊以獲得最佳化的安全性。此外,新型的駕駛員輔助系統(tǒng)──如自主巡航控制、車道偏離警報以及夜視、盲點偵測等功能也將被推出,這些都需要半導(dǎo)體感測器以及高性能的處理器、記憶體。
當(dāng)把安全性應(yīng)用到整個汽車系統(tǒng)時,關(guān)鍵是解決感測、啟動(actuation)、通訊、互連、動力以及運算的可靠性問題。這意味著需要完全冗馀(redundancy)的安全性──這是由軍事航太領(lǐng)域所開發(fā)的一種標準方法。
「透過晶片冗馀實現(xiàn)的安全性將是另一個技術(shù)突破,它將有助于將被動式安全推向主動式───甚至是預(yù)防性安全的演進;」Griot表示:「我們已與德國汽車零組件供應(yīng)商Continental合作開發(fā)一種三核心解決方桉,這些核心會協(xié)同工作、自我控制,并提供降低能源消耗以及滿足安全性及容錯約束(fault-tolerance)所需要的運算以及控制性能?!?nbsp;
在其名為「Space」的設(shè)計專桉中,F(xiàn)reescale與Continental計劃開發(fā)一款採用Freescale的Power架構(gòu)之三核心、32位元MCU。
更具整合性的設(shè)計將是未來汽車系統(tǒng)發(fā)展趨勢
此外Infineon也為汽車應(yīng)用推出不同種類的MCU,包括Audo和Audo NG系列元件;此外還有結(jié)合了具獨立週邊設(shè)備控制處理器的TriCore MCU。這種架構(gòu)據(jù)說適合于引擎控制以及其它動力系統(tǒng)應(yīng)用所需的、決定論(deterministic)的即時性能。
「多核心方法潛力十足,也是我們策略的一部份;」Renault的Bastien表示:「不過這在短期內(nèi)不會實現(xiàn),因為我們并沒有掌握每一個電子控制單元(ECU);在動力系統(tǒng)部分,僅試過採用一個ECU對引擎和變速箱進行控制。關(guān)于Autosar汽車標準,我們可能會從眾多微控制器當(dāng)中選擇一個來試產(chǎn)許多模組,但在2012年以前不會量產(chǎn)?!?nbsp;
至于Autosar標準將如與多核心處理器結(jié)合?在PSA Peugeot Citroen負責(zé)Autosar計畫的Alain Gilberg表示,這得到2009年該計畫完成時才會知道:「我們將繼續(xù)進行Autosar標準訂定工作,并且希望在將來能把多核心方法完全導(dǎo)入該標準?!?nbsp;
Griot則透露,已有應(yīng)用于全面和整體整合(comprehensive and holistic integration)的技術(shù)建構(gòu)模組(building block)問世,包括啟動器、感測器以及微處理器。不過如何選擇正確架構(gòu)以及設(shè)計方法的挑戰(zhàn)依舊。「我們必須首先把各種技術(shù)整合起來;」Griot并指出,F(xiàn)reescale與ST已在2007年簽署了一項合作協(xié)議,以加速微處理器整合的過程。
Bastien表示:「Renault在系統(tǒng)方法上投入了龐大資源。例如,軟體可以透過合適的演算法而消除對一些感測器的需求。系統(tǒng)的規(guī)模越大,在各供應(yīng)商之間所需的合作協(xié)調(diào)也越多。在實際意義上,加速系統(tǒng)整合的最佳途徑,就是與我們的供應(yīng)商一起定義整合各種功能的可能性,以期能夠提升晶片制造商最先進技術(shù)的價值。而Autosar就是實現(xiàn)這些整合的良好機會?!?nbsp;
「我們需要掌握全局系統(tǒng)方法并擁有一個全面的系統(tǒng);」Gilberg表示:「我們需要這麼多ECU,就是因為系統(tǒng)被分割成許多部分。」
Infineon汽車系統(tǒng)資深主管Patrick Leteinturier也表示,對減少車輛中ECU的數(shù)量、以及減少它們之間的互連的需求,可望帶來更為集中的架構(gòu)的出現(xiàn),因而提高效率及可靠性、降低複雜性并獲得更高的成本效益。
Griot總結(jié)指出:「我們正處于一個轉(zhuǎn)捩點──由軟體帶來的創(chuàng)新將超越硬體的創(chuàng)新。我認為,我們除了鼓勵創(chuàng)新之外別無選擇。我們需要采用軟體/硬體自上而下(top-down)的架構(gòu)方法進行突破;這種方法將使整個系統(tǒng)更為便宜且車輛更為安全?!?nbsp;
不過根據(jù)該場會議所透露的訊息,盡管市場在短期之內(nèi)對車用微控制器以及基于處理器的系統(tǒng)級晶片(SoC)存在巨大的需求,但長期的贏家將會是那些利用系統(tǒng)級(system-level)、整車(whole-vehicle)等方法,協(xié)助汽車製造商以較少的微控制器進行設(shè)計和電子整合的晶片及EDA供應(yīng)商。
根據(jù)市場研究公司Databeans分析,汽車半導(dǎo)體市場在2006年總計為180億美元,預(yù)計在2012年將達到290億美元,平均年成長率為8%。另一家市場研究公司Frost & Sullivan則預(yù)測,在同一時段,主動式安全系統(tǒng)(active safety system)市場規(guī)模,將從大約130億美元成長到213億美元左右。
而此一成長趨勢也在位居飛思卡爾(Freescale)與英飛凌(Infineon)之后,排名全球第三大的車用半導(dǎo)體供應(yīng)商意法半導(dǎo)體(ST)的財報中證實。ST的汽車產(chǎn)品部門2006年銷售額為13.6億美元;而在1996年,該公司整個汽車產(chǎn)品線的銷售額還不到4億美元。ST在車用半導(dǎo)體市場的年複合成長率(CAGR) 預(yù)測為14%,高于該市場本身約6%的CAGR。而展望未來10年,ST計劃維持10%以上的年複合成長率。
汽車市場提供芯片制造商前景看好的營收潛力,而汽車制造商也把芯片供應(yīng)商視為協(xié)助其改善油耗效率、二氧化碳排放量以及安全性的途徑。而事實上,各家汽車制造商也正面臨必須進行以上改善的壓力。
各國法規(guī)迫使汽車制造商尋求更環(huán)保與安全的技術(shù)
歐洲委員會(European Commission)企業(yè)和工業(yè)總局所屬汽車單位的主管官員Reinhard Schulte-Braucks表示,汽車制造商必須協(xié)助減少二氧化碳排放量,以達到2012年120g/km的共同目標,并透過採用各種防撞術(shù)增強道路安全性。以上各項要求都詳細記載在歐洲委員會所推動的「CARS 21」(Competitive Automotive Regulatory System of the 21st Century,21世紀競爭性汽車法規(guī)系統(tǒng))策略之中。
雷諾汽車(Renault)電子工程網(wǎng)路總監(jiān)Remi Bastien表示,強制性環(huán)保法規(guī)、高安全性汽車以及各種低成本技術(shù)為車廠帶來了許多壓力,而採用電子技術(shù)則是解決問題的關(guān)鍵。
「我們正處于兩種平行趨勢互補的連接點(context),」Bastien表示:「消費者需求以及來自政府的環(huán)保要求正呈指數(shù)上升。每隔5年,對污染氣體排放的標準要加倍,同時要求二氧化碳排放減少20%。此外消費者期望越來越多的舒適性、安全性,以及對遠端資通訊系統(tǒng)的鏈接數(shù)量。遵循摩爾定律(Moore’s Law)的電子科技為因應(yīng)這些挑戰(zhàn)帶來了許多機會;而我們也試圖建立車廠與晶片供應(yīng)商之間的雙贏關(guān)係?!?nbsp;
Freescale資深副總裁暨該公司歐洲、中東以及非洲市場總經(jīng)理Denis Griot指出,在1970年代,因美國加推行空氣潔淨(jìng)法桉(Clean Air Act),使微控制器(MCU)首次進入汽車領(lǐng)域,以對引擎進行控制:「馬達控制這種應(yīng)用使MCU技術(shù)朝越來越好的方向演變;在過去的10年當(dāng)中,MCU的運算性能已經(jīng)增加了20倍,而資料數(shù)據(jù)處理能力增加了7倍?!?nbsp;
Griot表示,電子技術(shù)進軍汽車的第一波是透過MCU的應(yīng)用來對引擎進行控制,第二波則會是采用電子技術(shù)提升汽車的安全性:「車禍事故對歐洲經(jīng)濟帶來的沖擊影響,每年總計達到800億歐元(約1,200億美元),因此我們對于安全性議題絕不能妥協(xié)。」
電子技術(shù)進軍汽車的第二波攻勢,必須得在車輛結(jié)構(gòu)上做變化;Griot補充,諸如ABS、車輛安全性控制,以及乘員保護這樣的功能,迄今為止都是彼此之間獨立,不過這些功能之間必須彼此通訊以獲得最佳化的安全性。此外,新型的駕駛員輔助系統(tǒng)──如自主巡航控制、車道偏離警報以及夜視、盲點偵測等功能也將被推出,這些都需要半導(dǎo)體感測器以及高性能的處理器、記憶體。
當(dāng)把安全性應(yīng)用到整個汽車系統(tǒng)時,關(guān)鍵是解決感測、啟動(actuation)、通訊、互連、動力以及運算的可靠性問題。這意味著需要完全冗馀(redundancy)的安全性──這是由軍事航太領(lǐng)域所開發(fā)的一種標準方法。
「透過晶片冗馀實現(xiàn)的安全性將是另一個技術(shù)突破,它將有助于將被動式安全推向主動式───甚至是預(yù)防性安全的演進;」Griot表示:「我們已與德國汽車零組件供應(yīng)商Continental合作開發(fā)一種三核心解決方桉,這些核心會協(xié)同工作、自我控制,并提供降低能源消耗以及滿足安全性及容錯約束(fault-tolerance)所需要的運算以及控制性能?!?nbsp;
在其名為「Space」的設(shè)計專桉中,F(xiàn)reescale與Continental計劃開發(fā)一款採用Freescale的Power架構(gòu)之三核心、32位元MCU。
更具整合性的設(shè)計將是未來汽車系統(tǒng)發(fā)展趨勢
此外Infineon也為汽車應(yīng)用推出不同種類的MCU,包括Audo和Audo NG系列元件;此外還有結(jié)合了具獨立週邊設(shè)備控制處理器的TriCore MCU。這種架構(gòu)據(jù)說適合于引擎控制以及其它動力系統(tǒng)應(yīng)用所需的、決定論(deterministic)的即時性能。
「多核心方法潛力十足,也是我們策略的一部份;」Renault的Bastien表示:「不過這在短期內(nèi)不會實現(xiàn),因為我們并沒有掌握每一個電子控制單元(ECU);在動力系統(tǒng)部分,僅試過採用一個ECU對引擎和變速箱進行控制。關(guān)于Autosar汽車標準,我們可能會從眾多微控制器當(dāng)中選擇一個來試產(chǎn)許多模組,但在2012年以前不會量產(chǎn)?!?nbsp;
至于Autosar標準將如與多核心處理器結(jié)合?在PSA Peugeot Citroen負責(zé)Autosar計畫的Alain Gilberg表示,這得到2009年該計畫完成時才會知道:「我們將繼續(xù)進行Autosar標準訂定工作,并且希望在將來能把多核心方法完全導(dǎo)入該標準?!?nbsp;
Griot則透露,已有應(yīng)用于全面和整體整合(comprehensive and holistic integration)的技術(shù)建構(gòu)模組(building block)問世,包括啟動器、感測器以及微處理器。不過如何選擇正確架構(gòu)以及設(shè)計方法的挑戰(zhàn)依舊。「我們必須首先把各種技術(shù)整合起來;」Griot并指出,F(xiàn)reescale與ST已在2007年簽署了一項合作協(xié)議,以加速微處理器整合的過程。
Bastien表示:「Renault在系統(tǒng)方法上投入了龐大資源。例如,軟體可以透過合適的演算法而消除對一些感測器的需求。系統(tǒng)的規(guī)模越大,在各供應(yīng)商之間所需的合作協(xié)調(diào)也越多。在實際意義上,加速系統(tǒng)整合的最佳途徑,就是與我們的供應(yīng)商一起定義整合各種功能的可能性,以期能夠提升晶片制造商最先進技術(shù)的價值。而Autosar就是實現(xiàn)這些整合的良好機會?!?nbsp;
「我們需要掌握全局系統(tǒng)方法并擁有一個全面的系統(tǒng);」Gilberg表示:「我們需要這麼多ECU,就是因為系統(tǒng)被分割成許多部分。」
Infineon汽車系統(tǒng)資深主管Patrick Leteinturier也表示,對減少車輛中ECU的數(shù)量、以及減少它們之間的互連的需求,可望帶來更為集中的架構(gòu)的出現(xiàn),因而提高效率及可靠性、降低複雜性并獲得更高的成本效益。
Griot總結(jié)指出:「我們正處于一個轉(zhuǎn)捩點──由軟體帶來的創(chuàng)新將超越硬體的創(chuàng)新。我認為,我們除了鼓勵創(chuàng)新之外別無選擇。我們需要采用軟體/硬體自上而下(top-down)的架構(gòu)方法進行突破;這種方法將使整個系統(tǒng)更為便宜且車輛更為安全?!?nbsp;