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2024年3月底，NXP正式推出了全球首款5納米汽車MCU，不過NXP并未稱其為MCU，而是叫S32N55 Vehicle Super-Integration Processor，實際上它就是MCU，當然稱其為SoC也未嘗不可。它具備高級汽車MCU的典型特征，首先是具備一個高效率的強調(diào)實時性的運算核心，其次是具備高安全內(nèi)核，最高可達ASIL-D級標準，再次是具備多種網(wǎng)絡(luò)接口，包括CAN、LIN、FlexRay、車載以太網(wǎng)、CAN-FD、CAN-XL以及PCIe，CAN網(wǎng)絡(luò)接口至少有15個。當然稱其為MCU還是有些勉強，因為它沒有嵌入式閃存，只有SRAM。
S32N的E/E定位
圖片來源：NXP
S32N有點像多個MCU的集成，以S32N55為例，是集成了車輛動態(tài)控制、車身、舒適、中央網(wǎng)關(guān)。
NXP的S32N系列處理器分布
圖片來源：NXP
5納米的S32N55是S32N系列的首款產(chǎn)品，將來還有三款產(chǎn)品，這個系列應(yīng)該至少都是5納米制造工藝，不排除有3納米制造工藝。圖上可以看出S32N55主要面對底盤、車身和網(wǎng)關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用。
MCU是一個市場集中度很高的領(lǐng)域，2023年全球MCU市場大約298億美元，前五廠家市場占有率超過80%。
圖片來源：英飛凌
汽車MCU領(lǐng)域，英飛凌增長迅速，2020年還是全球第四，市場占有率不到10%，2024年已經(jīng)成為全球第一，原本并列第一的瑞薩和NXP市場占有率快速下降，下降最快的則是德州儀器，從第三跌至第六。前五廠家市場占有率超過90%，國產(chǎn)汽車MCU的市場占有率估計不到2%。
圖片來源：英飛凌
眾所周知，相對汽車SoC，汽車MCU的制造工藝是很落后的，大部分國產(chǎn)汽車MCU是90納米，稍微高端的是65納米，國外高端主流的汽車MCU是40納米制造工藝，比如英飛凌的TC39X（由美國格羅方德代工），瑞薩的RH850，NXP的i.MX系列，40納米工藝已經(jīng)有10年歷史了。隨著對MCU算力的增長，晶體管數(shù)量快速增加，汽車MCU的制造工藝在加速進化，2019年2月瑞薩第一個推出28納米制造工藝的汽車MCU，即RH850/U2A。2023年4月瑞薩推出首款22納米MCU，不過不是汽車領(lǐng)域。
2024年年初，英飛凌的TC49X系列也開始使用28納米制造工藝，意法半導(dǎo)體則在CES2024上展出了28納米汽車MCU樣品。
最先進的還是NXP，NXP在2022年就推出了S32Z和S32E系列汽車MCU，采用了16納米制造工藝，不過NXP稱之為Safe and Secure High-Performance Real-Time Processors，本質(zhì)上就是汽車MCU。
汽車MCU在40納米制造工藝徘徊近十年，最主要的因素還是受限MCU內(nèi)部的嵌入式閃存（eFlash）本身制程。閃存的制造工藝擴展到40nm以下非常困難，不僅要考慮各種參數(shù)和成本，同時很難集成到非常復(fù)雜的高K金屬柵極技術(shù)中。也就是說先進工藝汽車MCU的關(guān)鍵不在MCU廠家本身，而在晶圓代工廠那里。隨著汽車智能化和電動化，汽車MCU的嵌入式閃存容量暴增，比如采用更加先進的制造工藝和更先進的存儲技術(shù)才能滿足這個需求。四大MCU廠家中，瑞薩和NXP都選擇了STT-MRAM，意法半導(dǎo)體的方向是PCM（相變存儲器），也是計劃在2024年量產(chǎn)，英飛凌則選擇RRAM技術(shù)。
三種技術(shù)比較：
PCM RESET后的冷卻過程需要高熱導(dǎo)率，會帶來更高功耗，且由于其存儲原理是利用溫度實現(xiàn)相變材料的阻值變化，所以對溫度十分敏感，無法用在寬溫場景。為了使相變材料兼容CMOS工藝，PCM必須采取多層結(jié)構(gòu)，因此存儲密度過低，在容量上無法替代NAND Flash，成本偏高。不過意法半導(dǎo)體稱自己已經(jīng)解決了這些缺點。
MRAM雖然性能較好，但臨界電流密度和功耗仍需進一步降低。目前MRAM的存儲單元尺寸仍較大且不支持堆疊，工藝較為復(fù)雜，大規(guī)模制造難以保證均一性，存儲容量和良率爬坡緩慢。
RRAM，它的缺點是器件級變化性。器件級變化性直接關(guān)乎芯片的可靠性，但由于RRAM器件狀態(tài)的轉(zhuǎn)變需要透過給兩端電極施加電壓來控制氧離子在電場驅(qū)動下的漂移和在熱驅(qū)動下的擴散兩方面的運動，使得導(dǎo)電絲的三維形貌難以調(diào)控，再加上噪聲的影響，因此容易造成器件級變化性，不過臺積電解決了這個問題。貌似是幾大MCU廠家在競爭，實際都是依靠臺積電，瑞薩的MCU大部分也是臺積電生產(chǎn)的。
MRAM的制造工藝可達16納米，相信NXP的16納米汽車MCU就是用了MRAM。
為什么要采用5納米工藝制造MCU，需求主要來自三方面：
一方面是電動車的車輛控制算法越來越復(fù)雜，特別是加入了智能駕駛以后，不僅需要常規(guī)的串行計算，還有并行計算乃至矢量或矩陣運算。車輛控制算法要求高實時性，延遲低于1毫秒，因此需要高算力。
另一方面是軟件系統(tǒng)越來越復(fù)雜，MCU上需要運行很多中間件和中小型的虛擬機和操作系統(tǒng)，這也會消耗大量算力。
最后是車身和舒適系統(tǒng)也變得越來越復(fù)雜，特別是座椅和車燈，也需要消耗大量算力。高算力意味著更多的晶體管數(shù)量，這就需要先進工藝的高晶體管密度，這里的算力不是AI算力，所謂AI算力基本上指的是矩陣乘法運算，汽車領(lǐng)域99%的運算都不是矩陣乘法。高算力催生了5納米汽車處理器芯片。
回到S32N55，針對電機控制，S32N55有Automotive Math and Motor Control Library (AMMCLib)算子庫，支持AUTOSAR和小型實時操作系統(tǒng)如Zephyr，支持AUTOSAR MCAL實時驅(qū)動RTD，支持Type1型虛擬機，支持平臺內(nèi)通訊協(xié)議棧IPCF，支持Safety Software Framework (SAF) 和Structural Core Self-Test (SCST)。
S32N55內(nèi)部框架圖
S32N55內(nèi)部包含4個實時運算單元，每單元一個4核心的Cortex-R52。
R52典型制造工藝是16納米，最高時鐘頻率大約1.6GHz，性能一般是2.72DMIPS/MHz，S32N55的R52頻率是1.2GHz，算力就是16*1200*2.72=52KDMIPS，這個算力是國產(chǎn)智能駕駛主流芯片CPU算力的兩倍，與德州儀器TDA4中檔芯片的CPU算力持平。常見的底盤MCU如英飛凌的TC397，算力是1.3-4KDMIPS，不到S32N55的1/10。
S32N55主要特點
圖片來源：NXP
S32N55擁有多達48MB的SRAM，傳統(tǒng)汽車MCU如底盤界霸主英飛凌的TC397其SRAM容量最高不到7MB，如此高的容量如果還用傳統(tǒng)的28或40納米工藝，那成本會非常驚人。為了降低成本，S32N55內(nèi)部沒有NVM，采用外接的8通道Octal Nor Flash，畢竟嵌入式NVM最高容量也不過64MB，外接式可以輕易到256MB。
S32N55面向軟件定義汽車而生，自然少不了虛擬原型Digital Twin和云端部署支持，這部分支持主要由Synopsys完成。
S32N55虛擬原型生態(tài)系統(tǒng)
圖片來源：NXP
S32N55虛擬原型，可直接在ARM平臺電腦上編程后直接上車，即最頂級的虛擬ECU。
S32N55代表了軟件定義汽車（SDV）時代MCU的設(shè)計。SDV時代，MCU的數(shù)量會減少30-60%，高集成高算力MCU是未來發(fā)展趨勢。
免責(zé)說明：本文觀點和數(shù)據(jù)僅供參考，和實際情況可能存在偏差。本文不構(gòu)成投資建議，文中所有觀點、數(shù)據(jù)僅代表筆者立場，不具有任何指導(dǎo)、投資和決策意見。
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