英飞凌最新MCU之TC4XX系列量产介绍2024

前言

英飞凌的安全MCU几乎垄断智能驾驶领域，基本上国内95%以上的智能驾驶系统使用英飞凌的TC39X系列MCU做最后的安全控制，即管理底盘执行器。它也是汽车MCU里最昂贵的一种。也有少数厂家如蔚来不仅在智能驾驶领域使用，在座舱领域也有使用。目前，NXP主攻网关领域的MCU，瑞萨主攻座舱，意法半导体主攻车身。

高端汽车MCU难点

高端汽车MCU的挑战主要集中在制造工艺而非MCU本身。这也解释了为何NXP、瑞萨、英飞凌和ST主导高端MCU市场。其中，高端MCU需要大量的非易失性内存(NVM)，至少5MB，可达32MB。NVM（Flash闪存）的制造工艺与逻辑器件存在显著差异，将它们整合在同一芯片中具有相当难度。低密度的NVM导致die size尺寸较大，使技术能力较弱的厂商面临高成本问题。这也是数字芯片中AI芯片可达3纳米，而MCU最顶级只能达到16纳米的原因。

随着汽车软件系统不断复杂化，汽车MCU对NVM存储容量的需求也在不断增加。因此，各大厂商都在寻求新技术来满足这一需求。

新技术的发展趋势

1. 瑞萨的技术方向是STT-MRAM： 2022年6月，瑞萨宣布推出STT-MRAM的22纳米制造工艺技术，但至今未量产。
2. NXP与台积电合作采用16纳米的FinFET工艺的MRAM： 这也采用了STT技术，NXP的下一代MCU预计在2024年底或2025年初开始量产。
3. 意法半导体选择PCM（相变存储）： 计划在2024年量产。尽管PCM在冷却过程中需要高热导率，导致更高功耗，且对温度敏感，但意法半导体表示已解决这些缺点。
4. 英飞凌采用RRAM技术： RRAM的挑战在于器件级变化性，但台积电据称解决了这个问题。

技术比较与挑战

1. PCM技术： 冷却过程需要高热导率，高功耗，温度敏感，存储密度低，但意法半导体声称已解决这些问题。
2. MRAM技术： 性能较好，但临界电流密度和功耗仍需降低，存储单元尺寸较大，不支持堆叠，制造复杂。
3. RRAM技术： 器件级变化性挑战可靠性，但台积电据称已解决。

厂商竞争与合作

尽管各大MCU厂商在新技术的竞争中崭露头角，但实际上都依赖于台积电进行制造。例如，瑞萨的MCU也是由台积电生产。在这个高度竞争的领域，技术的进步和问题的解决将决定未来高端汽车MCU的发展方向。

1 英飞凌AURIX™介绍

① 英飞凌AURIX™发展历程

TC4XX系列早在2021年底就已经宣布推出，但量产是在2024年初。主要原因是TC4XX系列MCU使用了RRAM，即阻变型NVM存储器，其生产工艺难度极高，英飞凌到2022年11月才和台积电完成RRAM的量产研发，又经历一年，将RRAM和逻辑器件结合，最终在2024年初开始量产。

图片来源：Infineon

发展历程：

• 2014年推出的第一代 AURIX™ TC2x 集成了多达三个 TriCore™ 内核。
  TC2x 系列单片机内部集成了安全管理单元 SMU ，对单片机内部的各个模块进行安全管理，电源供电 PMIC 芯片 TLF35584 除了完成电源供电，还可以和单片机交互，搭配 SafeTlib™ 软件可以实现自检并监控单片机运行是否正常，出现异常的情况下可以触发安全机制，使系统进入安全状态。
• 2018年推出的第二代 AURIX™ TC3x 集成了多达六个 TriCore™ 内核，将单片机性能提升到了一个新高度。
  AURIX™ TC3x 系列单片机拥有卓越的实时性，全系型号可以达到功能安全最高等级 ASIL-D，集成了信息安全硬件加密模块，还有强大的互联接口，使其尤其适合众多汽车应用。
• 2021年推出的新一代 AURIX™ TC4x 系列为领先的 AURIX™ TC3x 系列提供了向上升级的途径。
  它采用下一代 TriCore™ 1.8内核，以及可扩展的增强性能的加速器套件。其中包括新的并行处理单元 (PPU)，这是一种 SIMD 矢量数字信号处理器 (DSP)，可满足各种人工智能拓扑结构的需求，包括实时控制和雷达后处理等各种用例。产品系列的可扩展、高兼容性设计，使得用户可以采用通用的软件架构，从而大大节省了平台软件费用。

② AURIX™ TC4x应用领域及特性

AURIX™ TC4x 面向广泛的汽车应用，包括基于域控和区控的 E/E 架构对功能集成的强烈需求，通过安全系统支持电动交通和自动驾驶的发展。英飞凌的 AURIX™ TC4x 提供增强的连接性，包括先进的功能安全和信息安全，进一步夯实英飞凌在高可靠高安全汽车电子产品领域的领先地位。

此外，新的 SOTA（软件空中升级）功能有助于满足主机厂对快速、安全的车到云连接的需求，实现现场更新以及车辆使用过程中的诊断和分析。新的 AURIX™ TC4x 系列 MCU 支持 5 Gbit 以太网和 PCI Express® 等高速通信接口，以及 CAN-XL 和 10BASE T1S 以太网等新的通讯接口。网络吞吐量和连接性的提高为客户提供了实施新 E/E 架构所需的性能和灵活性。

AURIX™ TC4x 根据汽车发展的趋势，重点拓展电动汽车、域控制器/区域控制器、智能（辅助）驾驶、雷达、动力底盘等应用场合。

③ AURIX™ TC4x 的完善生态体系

考虑到汽车复杂性的不断增加以及人工智能技术的实现，AURIX™ TC4x 生态系统受到了极大关注，以确保产品快速上市和易于使用。英飞凌正与 Synopsys 合作，加快 AURIX™ TC4x 系列的软件开发。用于 TC4x 的 Synopsys Virtualizer™ 开发套件（VDK）可在设计周期的更早阶段进行软件开发。用于 AURIX™ TC4x 的 Synopsys DesignWare® ARC® MetaWare 工具包提供了为 PPU 开发软件所需的最佳编译器、调试器和库以及仿真器。

其他合作伙伴也将提供相应的产品，并支持 MATLAB 自动代码生成，以实现快速原型开发。得益于跨代可扩展的兼容设计，已经使用现有 AURIX™ MCU 的客户将缩短开发时间，加快产品上市，并从中获益。显著的硬件和软件兼容性使客户可以广泛地重复使用现有的 TC3x 算法和生态系统。

得益于 AURIX™ 系列 MCU 跨代高兼容性设计，用户在 TC3x 的开发经验，将大大减少移植工作量，加速产品上市时间。

• 开发工具非常丰富，并且延续性好
• 软、硬件设计兼容性好
• 安全架构、理念一脉相承，并更加完善、强大
• 一如既往的高可靠性

2 AURIX™ TC4x 特点

1 TriCore™ 和 AURIX™ 加速套件提供高性能算力和经济的人工智能

• 多达 6 个 TriCore™ v1.8 同步运行，主频高达 500 MHz
• AURIX™ 加速器套件：
  • 并行处理单元 (PPU) - 实现高达 ASIL-D 的人工智能
  • 数据路由引擎 (DRE) -用于高效通信和数据处理
  • CDSP – 对模拟采样信号进行数字信号处理
  • 信号处理单元 (SPU) - 雷达信号处理加速器
  • 信息安全模块 (CSRM/CSS) - 硬件加密加速器

2 内存升级

• 多达 25 MB 片上 NVM 存储空间
• 通过优化的 A/B 交换分区和外部存储器接口支持零停机时间 SOTA

3 高级时钟模块和 AD 转换增加实时控制能力

• 新型 eGTM 定时器和高分辨率 PWM，专用低延迟互连 (LLI) 总线
• 用于电机控制和电源转换的更快控制回路
• 与 AURIX™ TC3x 兼容的 GTM
• 多种ADC 转换器 ，时分复用 ADC(TMADC) /快速比较器 (FC)/DSADC
• CDSP/DSEX 加速器

4 更强的功能安全和信息安全性能

• 包括 CSRM 和 CSS 在内的安全集群可提供更强的安全性能
• 符合 ISO 21434 标准
• 安全 DMA
• 符合 ASIL-D 标准

5 为所有E/E架构微控制器提供丰富的网络通讯接口

• 可扩展的高速通信接口：
  • 高达 5 Gbps 以太网
  • PCIe
  • 10BASE T1S 以太网
  • CAN-XL
• 数据路由引擎 (DRE) - 通信加速器

6 广泛的生态系统

• 英飞凌 MCAL 驱动程序
• 可重复使用现有 AURIX™ TC3x 算法和生态系统
• 利用 Synopsys - Virtualizer Development Kit for AURIX™ TC4x 虚拟原型支持快速原型开发
• 软件开发工具包 (SDK)
• 使用 Synopsys - MetaWare Toolkit for AURIX™ 简化 PPU 软件开发，其中包括 MATLAB 和 Simulink、DSP 和数学库、神经网络软件开发工具包以及 AUTOSAR 复杂设备驱动程序

3 亮点

① 内部框架升级

② RRAM

AURIX™ TC4x 采用28nm半导体制程工艺，并引入 RRAM 非易失存储介质（NVM）。该制程工艺，英飞凌与台积电已经合作长达8年之久，将助力 TC4x 系列 MCU 实现高性价比，并为下一代 MCU 持续迭代升级铺平道路。
PUF工作原理

基于RRAM的物理不可克隆（PUF：Physical Uncloneable Function）芯片相较于传统的PUF具有随机性更强、工作温区更宽、单元面积更小和可刷新等诸多优点，具有广阔的应用前景。硬件安全技术不局限于传统的密码芯片研究，而是芯片和固件的密不可分。硬件安全包括由证书和加密密钥提供的保护，还需要一个物理安全锚，以确保这些密钥和证书不能复制到假冒的非法设备中，提供这种安全锚的技术是物理不可克隆函数(physical unclonable function，PUF)。PUF 是一种物理结构，可以从中生成设备唯一且不可克隆的加密根密钥。与利用半导体制造过程随机性的安全电路相比，利用 RRAM 随机切换机制和内在可变性的安全电路对各种类型的攻击更具鲁棒性。PUF 利用物理随机性和制造可变性来提供安全源，RRAM 的随机机制为 PUF 提供了真正的随机来源。

③ 硬件虚拟化

得益于 AURIX™ TC4x 的硬件虚拟化性能，在一片 TC4x 芯片上，通过部署虚拟机软件，可以独立运行多个不同的 ECU 功能，并实现互不干扰。

④ 信息安全

英飞凌具有多年的信息安全开发经验，从第一代AURIX™ 芯片就开始部署硬件安全模块（HSM）。现在 AURIX™ TC4x 的开发完全按照 ISO21434 信息安全标准进行开发。同时，英飞凌已经获得权威第三方颁发的 ISO21434 产品开发流程认证证书。

联合国欧洲经济委员会(UNECE)颁布的UN R155法规旨在解决智慧联网汽车日益受到关注的网络安全问题。该法规自2022年7月开始生效，要求车厂在其产品和流程中采用安全设计(Security-by-design)方法。如要将新车销售到R155法规所涵盖的市场，车厂必须取得每种车型的有效网络安全管理体系(CSMS)合规认证。为了获得该认证，车厂必须在整个供应链中实施网络安全实务，进而降低车辆在全生命周期(从初始概念到车辆报废)内遭受攻击的总体风险。

⑤ PPU

TC4XX系列特别增加了PPU（针对AI运算的PPU，即并行处理单元），可以对应多个服务。AURIX™ TC4x 引入并行处理单元（PPU）将助力其拓展在嵌入式AI领域的应用场景。例如，PPU 可以在域控制器/区域控制器、ADAS 、新能源汽车等多个应用中发挥高安全性智能预测、智能控制的关键作用。

TC4XX系列MCU的AI运算例子

TC4XX系列可以支持小型虚拟机，也支持CPU虚拟化。

⑥ 虚拟模型和模型生成

另一大亮点是关于软件开发，即虚拟原型和模型生成，TC4X系列MCU开发之初就和Synopsys和Mathworks合作，比如HSP支持包。

AI领域，基于模型的开发，可靠性、成本和开发周期都比手动要好很多。

新思科技有ARC MetaWare开发工具对应TC4XX系列。

TC4XX系列自然是为Zonal E/E中央计算架构而来的，网络方面得到了加强，包括以太网带宽增加到5Gbps，支持最新的10BASE-T1型以太网，也支持超高带宽的PCIe，同样支持CAN的升级版本CAN-XL。不过TC4XX系列仍然是28纳米工艺。

⑦ 生态

英飞凌已经为 AURIX™ TC4x 构建了全方位的开发工具链和软件生态系统。开发工具包括编译器、调试器、集成开发环境（e.g. ADS Limited）、虚拟原型（VDK）、模型仿真硬件支持包等。软件生态系统包括硬件底层驱动（MCAL）、AUTOSAR 协议栈、功能安全软件库（SafeTlib）、信息安全软件、PPU软件库、CDSP 软件库等。