重大進(jìn)展，NXP推出全球首款5納米汽車MCU

2024年3月底，NXP正式推出了全球首款5納米汽車MCU，不過(guò)NXP并未稱其為MCU，而是叫S32N55 Vehicle Super-Integration Processor，實(shí)際上它就是MCU，當(dāng)然稱其為SoC也未嘗不可。它具備高級(jí)汽車MCU的典型特征，首先是具備一個(gè)高效率的強(qiáng)調(diào)實(shí)時(shí)性的運(yùn)算核心，其次是具備高安全內(nèi)核，最高可達(dá)ASIL-D級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，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(gè)。當(dāng)然稱其為MCU還是有些勉強(qiáng)，因?yàn)樗鼪](méi)有嵌入式閃存，只有SRAM。

S32N的E/E定位

圖片來(lái)源：NXP

S32N有點(diǎn)像多個(gè)MCU的集成，以S32N55為例，是集成了車輛動(dòng)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(lái)源：NXP

5納米的S32N55是S32N系列的首款產(chǎn)品，將來(lái)還有三款產(chǎn)品，這個(gè)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(duì)底盤、車身和網(wǎng)關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用。

MCU是一個(gè)市場(chǎng)集中度很高的領(lǐng)域，2023年全球MCU市場(chǎng)大約298億美元，前五廠家市場(chǎng)占有率超過(guò)80%。

圖片來(lái)源：英飛凌

汽車MCU領(lǐng)域，英飛凌增長(zhǎng)迅速，2020年還是全球第四，市場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)占有率超過(guò)90%，國(guó)產(chǎn)汽車MCU的市場(chǎng)占有率估計(jì)不到2%。

圖片來(lái)源：英飛凌

眾所周知，相對(duì)汽車SoC，汽車MCU的制造工藝是很落后的，大部分國(guó)產(chǎn)汽車MCU是90納米，稍微高端的是65納米，國(guó)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(guó)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(duì)MCU算力的增長(zhǎng)，晶體管數(shù)量快速增加，汽車MCU的制造工藝在加速進(jìn)化，2019年2月瑞薩第一個(gè)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(guò)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(jìn)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(guò)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(kuò)展到40nm以下非常困難，不僅要考慮各種參數(shù)和成本，同時(shí)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(shuō)先進(jìn)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(dòng)化，汽車MCU的嵌入式閃存容量暴增，比如采用更加先進(jìn)的制造工藝和更先進(jìn)的存儲(chǔ)技術(shù)才能滿足這個(gè)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(chǔ)器），也是計(jì)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(guò)程需要高熱導(dǎo)率，會(huì)帶來(lái)更高功耗，且由于其存儲(chǔ)原理是利用溫度實(shí)現(xiàn)相變材料的阻值變化，所以對(duì)溫度十分敏感，無(wú)法用在寬溫場(chǎng)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(chǔ)密度過(guò)低，在容量上無(wú)法替代NAND Flash，成本偏高。不過(guò)意法半導(dǎo)體稱自己已經(jīng)解決了這些缺點(diǎn)。

MRAM雖然性能較好，但臨界電流密度和功耗仍需進(jìn)一步降低。目前MRAM的存儲(chǔ)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(chǔ)容量和良率爬坡緩慢。

RRAM，它的缺點(diǎn)是器件級(jí)變化性。器件級(jí)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(guò)給兩端電極施加電壓來(lái)控制氧離子在電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下的漂移和在熱驅(qū)動(dòng)下的擴(kuò)散兩方面的運(yùn)動(dòng)，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(jí)變化性，不過(guò)臺(tái)積電解決了這個(gè)問(wèn)題。貌似是幾大MCU廠家在競(jìng)爭(zhēng)，實(shí)際都是依靠臺(tái)積電，瑞薩的MCU大部分也是臺(tái)積電生產(chǎn)的。

MRAM的制造工藝可達(dá)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(lái)自三方面：

一方面是電動(dòng)車的車輛控制算法越來(lái)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(jì)算，還有并行計(jì)算乃至矢量或矩陣運(yùn)算。車輛控制算法要求高實(shí)時(shí)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(lái)越復(fù)雜，MCU上需要運(yùn)行很多中間件和中小型的虛擬機(jī)和操作系統(tǒng)，這也會(huì)消耗大量算力。

最后是車身和舒適系統(tǒng)也變得越來(lái)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(jìn)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(yùn)算，汽車領(lǐng)域99%的運(yùn)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(duì)電機(jī)控制，S32N55有Automotive Math and Motor Control Library (AMMCLib)算子庫(kù)，支持AUTOSAR和小型實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)如Zephyr，支持AUTOSAR MCAL實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)RTD，支持Type1型虛擬機(jī)，支持平臺(tái)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(gè)實(shí)時(shí)運(yùn)算單元，每單元一個(gè)4核心的Cortex-R52。

R52典型制造工藝是16納米，最高時(shí)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(gè)算力是國(guó)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(diǎn)

圖片來(lái)源：NXP

S32N55擁有多達(dá)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(huì)非常驚人。為了降低成本，S32N55內(nèi)部沒(méi)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(guò)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(lái)源：NXP

S32N55虛擬原型，可直接在ARM平臺(tái)電腦上編程后直接上車，即最頂級(jí)的虛擬ECU。

S32N55代表了軟件定義汽車（SDV）時(shí)代MCU的設(shè)計(jì)。SDV時(shí)代，MCU的數(shù)量會(huì)減少30-60%，高集成高算力MCU是未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

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