眾廠商談汽車半導體的技術趨勢

摘要：汽車已不再是簡單的交通工具，未來智能互聯的汽車也許比手機更具時尚，不僅帶來舒適、安全、綠色的駕乘體驗，更激發駕乘者的駕乘欲望與激情。當前，汽車也正從傳統的機械系統，轉變到電子系統的創新。本文介紹了部分領先企業的發展動向。本文網絡版地址： http：//www.eepw.com.cn/article/256086.htm

關鍵詞：汽車電子；MCU；電源；車聯網；FPGA

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2014.7.002

1 MCU平臺需要強大的處理能力，重視網絡接口

1.1飛思卡爾汽車儀表及信息娛樂系統市場開發經理黃熙：為滿足汽車電子技術的發展需要，一方面車用MCU需要更好的性能：更強大的處理和運算能力——高頻，多核，支持多種操作系統平臺——iOS、 Android、WinCE？，支持多種通信接口——CAN、LIN、Ethernet、USB、WIFI？，符合功能安全規范ISO26262和硬件加密規范SHE；另一方面，應該最大程度地降低成本，減少故障率，減少開發難度和時間。

1.2 Spansion汽車電子事業部產品經理李丹： 車載半導體產品一直在向更高集成度、更高性能、更高品質的方向發展。除此之外，適用于汽車電子系統的半導體產品還有一些特別的發展趨勢，例如汽車微控制器越來越重視車載網絡接口，針對安全性的ISO26262標準將會越來越受到重視，對于車載娛樂系統和儀表系統，越來越注重圖形顯示和控制，A R M平臺將會逐漸被更多汽車電子系統采用，基于模型的開發模式越來越受到歡迎，等等。

2 汽車電子的消費電子化

2.1 從交通工具向巨型移動設備的轉型

英特爾物聯網事業部交通解決方案中國市場開發總監徐偉杰博士：數字世界催生了無處不在的連接需求，消費者希望即使身在旅途也能享受各類數字化體驗。如今，汽車正在經歷從交通工具到巨型移動設備的轉型。分析師預測，到2016年，在成熟市場中，能否提供車內連接和在線內容，將成為影響消費者購車決策的關鍵因素。

汽車已成為物聯網中的關鍵一環，既能接收數據，也能將數據發至云、交通基礎設施以及其他車輛。因此，越來越多的汽車制造商轉向包括英特爾在內的領先科技公司，尋求技術合作、探索各種創新應用，以有效地為消費者提供更加強大的信息、娛樂功能，更加安全的行車環境和愉悅的駕乘體驗。

對于英特爾，不同于消費電子產品，英特爾在基礎平臺的開發過程中會做大量測試，以確保滿足汽車行業最嚴格的各種要求，包括對更高溫度和較低百萬機會缺陷數（DPM）的要求，此外，為了更好地滿足未來汽車的互聯需求，車規級芯片亦需要強大的計算能力，能夠適應更高的數據要求。

2.2 車聯網

恩智浦（NXP）半導體大中華區汽車電子業務部總經理陳偉進：以下幾個方面將驅動汽車電子產業的發展。首先，節能環保、綠色能源技術的倡導，催生了在相關汽車電子領域一系列的技術變革，例如基于恩智浦“局部網絡”（Partial Networking）技術的CAN物理層收發器TJA1145T，以及具備該功能的SBC（System Basis Chip）芯片UJA1168TK，在整車能耗管理方面具有顯著的優勢，該技術使得整車網絡中的電子控制單元只有在收到特定的關聯報文情況下才會被喚醒，從而達到降低整車網絡功耗的目的。

其次，由于IT行業與傳統汽車行業的融合，如何為人、車和基礎設施之間提供安全可靠的互聯功能成為未來發展的一大熱點，無論是車內網絡互聯，包括傳統的CAN、LIN、FlexRay通信，以及未來的以太網在車內的普及，還是車與車（C2C）以及車與外部世界的互聯（C2X），恩智浦在相關領域都有非常多的投入與創新，例如在C2X領域，恩智浦、思科和Cohda Wireless三家企業發揮各自優勢，使汽車物聯網成為現實。

再有，安全可靠的通信?！昂诳汀迸c“病毒”不再只是IT行業的專有名詞，這一切將在汽車電子行業得以復現，如何保障汽車物聯網的信息安全將成為整個汽車產業的使命。得益于在智能卡領域的領先優勢，恩智浦早已將相關的技術應用于汽車電子當中，例如在汽車智能鑰匙、引擎防盜、NFC和C2X等需要高可靠加密通信的應用領域提供解決方案。

2.3 儀表和導航、主動安全的SoC方案

富士通半導體（上海）有限公司 市場部高級經理周浩洋：網絡時代的來臨，使人們希望汽車能夠成為生活及工作方式的延伸，在汽車上就像待在自己的辦公室和家里一樣，可以處理工作事物和生活瑣事。因此，汽車電子的消費電子化趨勢尤為明顯，汽車將具有更好的智能化和網絡化，更高的安全性。

針對以上趨勢，很多半導體廠商開始開發高集成度、高性能SoC系統解決方案，發力車載人機交互、車載輔助駕駛和車用系統總線領域。首先車載人機交互最常用的界面就是車載儀表和導航，導航的信息化和職能化已經有一定程度的發展，可是儀表領域還是長期保持不變，該領域的一個發展方向正是特斯拉倡導的，就是用大的TFT屏替代傳統的機械儀表，這部分需要多種半導體技術的支持，包括主控SoC驅動圖形，總線架構收發芯片保證遠距離的傳輸，更多需要半導體廠商去做先行開發和技術研究投入。

主動安全的發展也是一個重要的趨勢，特別是基于攝像頭的主動安全技術。這個涉及到的IC器件包括攝像頭、主控SoC和圖像算法。主控SoC需要有多路視頻（攝像頭）輸入接口，基于硬件的拼接算法。這都需要半導體廠商考慮應用需求的發展，提前布局產品的開發。

3 IP助力高性能視覺和圖像SoC Imagination Technologies 業務發展副總裁Volker Politz：汽車行業對集成更智能化、豐富多媒體技術的需求不斷增長。這是因為汽車供應商開始認識到集成和應用強大 GPU 的重要性，比如用于娛樂信息系統中的先進3D圖形技術的PowerVR Rogue內核和用于ADAS中的節能 GPU 計算。由于汽車制造商要求高性能的視覺和圖像技術，例如，Imagination的PowerVR Raptor內核，來實現諸如車道識別、防撞系統及其他安全相關產品特點，我們也看到越來越多的攝像系統進入汽車中。

另外，隨著更多的操作系統比如Android Auto 和QNX 被用在汽車中，豐富的應用程序將成為越來越重要的汽車獨特賣點。

預測安全。在高速過彎，濕滑地面行駛，快速變道等駕駛情況下，側翻與穩定性控制（ESC）是對當今主流安全系統的全新改進。需要更多的MEMS加速度傳感器和角速度傳感器來感測碰撞的不同部位以及車身姿態。同時，多種傳感器的融合，來降低系統復雜度和系統成本。由于這樣的傳感器往往安裝在振動比較惡劣的位置，所以需要傳感器具有很高的振動沖擊抵御性。TPMS和ESC（車身動態穩定系統）的裝車率在快速上升，同時標配ESC系統的車型也在不斷增多。由此帶來的電子系統數量和規模在不斷擴充，尤其需要更多的MEMS傳感器來感測碰撞的不同部位以及車身姿態。同時，多種傳感器的融合，來降低系統復雜度和系統成本，也是另一個趨勢。

● 被動安全。如果在主動安全和預測安全的機制都無效的情況下，那么就需要有效的被動安全機制最大限度地減輕駕駛員和乘客在事故中的損傷，同時也要兼顧行人在碰撞事故中的安全。全面有效的安全氣囊系統在此時就尤為重要，是最后一道防線。ADI至今已經交付了超過5億個MEMS傳感器，新一代的用于氣囊加速度傳感器ADXL185/ADXL189/ADXL188/ ADXL288，用于ESC和Rollover/Roll stability的角速度傳感器。ADXRS800在內部集成了眾多的系統功能，比如自測、信號帶寬設定、門限觸發、對振動的優良抵御性等等。

4.2 馬達與圖像

東芝電子（中國）有限公司技術統括部高級經理黃文源總結如下。

● 效率：針對效率的改善，馬達控制技術成為關鍵?，F在一輛高檔車中大約會用到80個左右的馬達，所謂的旗艦車型更是用到了100個以上大小不同的馬達。馬達的高速、低噪、高效率控制技術將成為今后重要的技術課題。

● 安全：針對安全性，在推進NCAP法制化運行的市場中，1fps的數據量的增加，多個識別應用同時執行等的要求的出現，圖像處理、識別用的處理器的高速處理能力和低功耗的并存將成為極大的技術課題。

對應的半導體、IC方面趨勢如下：

● ADAS和IVI領域

（1） 圖像識別IC

作為世界性的法規，NCAP的活動領域在不斷擴大，對車輛、車道線、行人、標識等多種對象的同時識別性能成為必要，一方面由于車輛中裝載位置的限制，要求ADAS用的圖像識別處理器要實現高性能加上寬溫度保證、高可靠性、低功耗等的技術指標。另外，作為今后的競爭領域，能使各個汽車制造商、Tier1（零部件一級供應商）廠商所持有的各自的算法便于兼容的構架是十分重要的。

（2） 車輛儀表用圖像處理 IC

針對車載用的TFT顯示儀表，今后將不斷地發展并普及到一般車型，另外，據預測，作為駕駛員所需信息的顯示，HUD（抬頭顯示）的需求將逐漸增加。在這種情況下，一方面要求汽車儀表用圖像處理電路，要具有高品質的圖像處理性能，多路的圖像輸出I/F；另一方面，針對汽車儀表也要求系統的小型化。另外，里程計的修改防止等的安全功能的需求也將逐漸增加。

● 馬達驅動MCUIC

（1） 馬達驅動電路是由高耐壓混合信號生產工藝加上驅動級或者是預驅動級所需的正弦波驅動邏輯混合而成的單片電路。并且，高結溫保證（175℃保證等等）、低噪聲化、機電一體化成為重要的課題。

（2） 馬達用MCU，在從引擎作為主要的動力源的行駛系統轉變為以馬達作為動力源的行駛系統的巨大變化的情況下，為了進一步改善每公里行駛費用而要求系統實現小型化，高轉速成為必需。

4.3 TI策略

德州儀器（TI）處理器業務部業務開發總監蔣宏：未來的汽車將會更加安全、環保和智能。下一代的汽車將會通過傳感器來監控駕駛員及汽車周邊的環境，而車載的通信系統會將所有的數據與信息進行整合與分析。相比目前使用的車載通信系統，未來的系統不僅會在速度上提升百倍，同時也會更加輕便，從而減少汽車的二氧化碳排放量。無論是用于汽車智能前照燈的DLP技術，還是用于下一代智能顯示和雷達系統的技術，未來的ADAS處理器將會更加的智能與強大，并且會朝著無人駕駛的方面發展，半導體也終將成為智能汽車與打造完美駕駛體驗的核心。

對于許多人來說，汽車可能是他們的移動生活空間或辦公場所，汽車的智能化也為提升駕駛的趣味性帶來更多的發展空間。未來的汽車將在不同部位集成不同的信息娛樂設備，并在駕駛時通過屏幕以及其他裝置（抬頭顯示，等）為駕駛員顯示所有的關鍵駕駛信息。未來車廠的差異化很多來自于人機交互和使用體驗，汽車從以前我們認為是純機械的產品，慢慢會轉化成機械+IT的產品。

4.4 環保、信息與舒適、安全

羅姆（ROHM）半導體公司：現預計在2020年之前，全球汽車的銷售量將以每年3%～4%的速度增長，而與之相比，汽車的電子元器件相關產品則超過汽車銷售量增速，以每年7%～8%的速度增長。

汽車電子化的主要原因有3大關鍵詞——環保，信息與舒適，安全。

為了貢獻于其中，ROHM正在著力充實提供汽車各電子控制部位所需的供電電源的“電源IC”產品。此外，ROHM和行業頂級廠商英特爾合作，加速參考業務。2013年，ROHM又為英特爾Atom處理器E600的后續平臺、面向汽車信息娛樂系統的Atom處理器E3800系列開發了電源管理IC。

5 模擬器件

5.1 開關電容器充電泵穩壓器受關注

凌力爾特公司電源管理產品副總裁Don Paulus：預計至少在未來的幾年時間，模擬器件增速將高于行業的整體水平。這是由于電子裝置取代了傳統的機電和液壓系統，因此一部標準的中型車輛如今包含了 100 多個處理器和幾十臺電機。車輛中分布式系統和診斷功能的激增對數字通信提出了更高的要求，這反過來又推動了數據速率的提高以及數字收發器需求量的增加。

歷史上，線性穩壓器一直用于數字處理器、收發器和相關組件提供穩壓的電源。但是隨著功率需求的增加，使用線性穩壓器帶來的問題越來越多。線性穩壓器是簡單和低成本器件，其具有非常緊湊和易于設計的應用電路。不過，當用于把汽車電池電壓轉換為數字組件所需的低電壓時，此類穩壓器的效率低下。

對于系統設計師而言，一種替代方案是用開關模式 DC/DC 轉換器來取代線性穩壓器。開關電源具有很高的效率，但也帶來了其特有的難題，包括電感器的選擇和供應、環路補償和降低輻射 EMI、以及解決方案相對復雜和占板面積較大等。

傳統線性穩壓器應用的第二種替代方案是開關電容器充電泵穩壓器。此類組件既擁有線性穩壓器解決方案緊湊和簡單易用的優點，同時又縮小了線性穩壓器與開關穩壓器之間的效率差距。凌力爾特提供了一個非常適合于這類應用的高電壓充電泵穩壓器系列。例如：LTC3255 可采用一個范圍為 4V～48V 的輸入電壓提供高達50mA 的負載電流，故障保護范圍則為 -52V 至 60V。其無負載靜態電流僅為 20μA。從 12Vin 至 5Vout 轉換的效率高于 80%，而從 12V 至 3.3V 轉換的效率則為 55%，產生的功率損耗僅為線性穩壓器的大約 50%。與線性穩壓器不同的是，充電泵亦可用于負輸出和降壓-升壓型應用。

5.2 48V系統帶來新的機會

Intersil公司精密產品副總裁Phillip Chesley：電源管理領域隨著汽車采用新48V系統而產生新的機會。汽車電子向48V的升級需要可靠且兼顧性價比的解決方案，這其中對技術水平要求之高，對半導體廠商而言確實是個非常大的挑戰。目前僅有極少供應商能夠提供60V汽車級的解決方案，以提供支持48V標準所需的設計裕量。因為標準高壓工藝的輸出電壓精度和紋波并不支持混合信號器件，如精密轉換器和放大器，所以許多供應商都在開發能夠在高壓工藝中經濟地提供所需精度的技術。

需要強調的是，對于汽車電子系統而言，對電源效率的要求同樣是必不可少的。例如，Intersil通過創新電源解決方案使HEV（混合動力系統）和pHEV（插電式混合動力）的效率提升了10%（通過監測和平衡電池芯電壓的精度至2.3 mV）。該項數據的提升在實際應用中的體現，意味著駕駛距離可從100英里增加到110英里。再以電池組的壽命為例，電池組的保修期通常為10年，10%的效率提升意味著其壽命可延長一年。

5.3 半導體配合汽車電子的關鍵趨勢

安森美半導體中國區應用工程總監吳志民：半導體技術不斷配合汽車電子的關鍵趨勢。例如安森美半導體配合整車廠在新車型中應用自動“啟動/停止”（Start/Stop）功能，當汽車因為堵車或等紅燈而停下來時，這種創新的系統自動關閉發動機（熄火）；而當駕駛人的腳從剎車踏板移向油門踏板時，就自動重新啟動發動機（點火）。這就幫助降低不必要的油耗，降低排放。

又如，LED已經廣泛應用于汽車外部及內部的照明。由于LED尺寸小，能夠配合美觀別致的前照燈系統外觀造型設計，還能幫助提升汽車的主動安全性。例如，基于LED的自適應前照燈系統（AFS）可以改善夜間轉彎照明。

汽車應用也需要優化發動機及變速箱控制，采用更加優化的傳感器及傳感器接口，以及用于車載網絡的LIN、CAN和FlexRay收發器等。

由于汽車應用環境空間受限，同時也面對高溫等問題，用于汽車應用的半導體需要提升集成度，采用小巧及更高熱效率的封裝，減小占位面積，并提升耐高溫工作能力。如應用于汽車發動機點火模塊的IGBT，要求減小尺寸，提升長期可靠性及提高保護等級等。

5.4 DC/DC轉換器和充電器等多種電源集成

國際整流器公司（IR）技術市場和銷售執行總監Marc LeGrain：汽車電子技術最為重要的課題之一便是電池電壓從12V（目前的鉛酸電池）提升到48V和400V（鋰離子電池）。這種變化要求將汽中車的DC/DC轉換器和充電器等多種電源進行集成。

為了解決電池板網電壓提升的問題，IR特別針對汽車應用等產品，開發出像IGBT這樣可以耐受最高1200V的擊穿電壓的半導體。逆變器要求優化的I G B T技術，它將導通和開關損耗以及短路性能進行折中，而轉換器正在采用超快速的IGBT，可以允許最高達200kHz的開關頻率，以降低濾波的成本和占位面積。

電子產品供應商也在努力開發創新型技術，提高電流密度，以實現電動機械環境中的電子產品的集成，因此，那些要求線纜和連接器的單個的電子模塊將被取代。這些開發大大縮減了系統成本和尺寸。在最近的幾個季度，出現了大量的封裝創新，用以提高功率密度和縮減系統尺寸。

5.5 IGBT和MOSFET的重要性

6 車用存儲器方案

美光（Micron）半導體技術有限公司汽車事業部市場戰略總監Tullio Cettolin：微處理器單元、存儲器和計算能力正在成為汽車駕駛系統的關鍵元素。電子系統復雜度越來越高，這就要求有更多具有更大容量、更好性能和更高可靠性的半導體產品，具體來說即是存儲器解決方案。

導航和3D地圖、交通監測、天氣信息、汽車收音機、多媒體緊急呼叫和語音識別等信息娛樂應用都需要高容量易失性和非易失性存儲器。在高容量非易失性存儲器方面，eMMC存儲器是最適合于這些應用的解決方案。

eMMC是一種標準化的管理型NAND存儲器架構。為汽車行業定制的eMMC嵌入式存儲器架構具備特定功能，可滿足汽車行業的需求。例如，美光半導體的eMMC產品包括專門用于進行故障分析的測試點。通過這些測試點，測試系統可直接訪問模塊中的NAND組件，無需通過控制器發送數據。這樣即可對整個存儲器組進行全面檢查。

在汽車行業中，半導體存儲器的另一個引人關注趨勢是汽車應用對于低功耗存儲器（尤其是LP DRAM）的需求和采用日益增加。這主要是由于汽車總是保持在聯網狀態，這也意味著汽車中的許多系統總是保持在運行狀態，或至少處于“待命”模式，已準備好快速完全啟動整個系統，包括所有信息娛樂應用、儀表板和ADAS模塊。

7 FPGA加速汽車電子的發展

Altera汽車業務部信息娛樂和駕駛信息戰略市場經理John Goldie：對于汽車系統的設計人員而言，與構建模塊化A S SP或者功能固定的ASIC相比，現場可編程門陣列（FPGA）能夠提供非常獨特而且靈活的解決方案。FPGA支持設計人員根據自己的特殊需求，自由地在架構中劃分CPU和硬件加速功能。以并行的方式在架構中放置關鍵處理單元，可以實現大吞吐量、低延時和確定性延時特性。這非常適合對安全性、系統干預以及引導/自動駕駛判斷等有要求的關鍵系統。系統能夠靈活地實現，可以直接在需要的地方構建功能安全（ISO26262），而安全uC方法只能監視數據在芯片上的輸入/輸出。對于FPGA，可以在需要的任何地方放置內置自測試（BIST）、診斷和檢查，甚至是冗余功能。

Altera最近發布了14款Cyclone V SoC系列器件，擴展了其AEC-Q100產品。AEC-Q100認證產品滿足了汽車電子委員會的測試要求，為汽車應用提供合格的集成電路。SoC具有雙核（或者單核） ARM Cortex-A9 MPCore處理器，以及含有兩個控制區域網（CAN）控制器和兩個以太網MAC （介質訪問控制）的多個外設。

[1]李健.汽車的未來：插上網絡的翅膀.電子產品世界，2012（3）：30[2]王瑩，李希靖.我國汽車電子業現狀及部分新技術探悉.電子產品世界，2011（8）：11

[3]孫濤，貢玉南.汽車MCU低功耗解決方案.電子產品世界，2013（8）：24

[4]Giacomini D.數字電源管理在汽車中的應用.電子產品世界，2013（11）：15

[5]Wallace J.布線指南：提高汽車電源性能、降低電磁輻射.電子產品世界，2012（9）：47