作者：Stephan B?ro Andreas K?nig

集成半導(dǎo)體電路的快速發(fā)展推動(dòng)了汽車自動(dòng)化、電動(dòng)化、互聯(lián)化的趨勢(shì)和相關(guān)電子電氣架構(gòu)的發(fā)展。在芯片架構(gòu)日益復(fù)雜，設(shè)計(jì)工作持續(xù)增加的背景下，采取模塊的標(biāo)準(zhǔn)化及功能的復(fù)用化等策略是很有必要的，這同時(shí)也將有利于成本的控制。

片上系統(tǒng) （SoC）內(nèi)融合了一個(gè)或多個(gè)微控制器內(nèi)核，兼具許多其他的功能模塊，以便在盡可能小的芯片面積上實(shí)現(xiàn)更多功能。然而，隨著集成度的不斷提高，開發(fā)工作量也隨之增加：半導(dǎo)體技術(shù)的結(jié)構(gòu)寬度越小，新芯片的設(shè)計(jì)工作量就越大——隨之而來的還有高達(dá)數(shù)億歐元的開發(fā)費(fèi)用。

因此，半導(dǎo)體設(shè)計(jì)越來越多地轉(zhuǎn)向預(yù)開發(fā)模塊，即IP（Intellectual Property）核，它可以輕松集成到 SoC 中，極大地減少工作量。 這些 IP 核通過 VHDL 等硬件描述語言構(gòu)建，用戶可以在獲取IP授權(quán)后運(yùn)用到自己的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中。

相較于消費(fèi)類或工業(yè)類應(yīng)用的成熟，例如圖形處理器、以太網(wǎng)開關(guān)或內(nèi)存控制器等，在汽車領(lǐng)域，迄今為止只有一小部分專用IP核可以滿足汽車應(yīng)用的需求并能夠在市場(chǎng)上站穩(wěn)腳跟。

核心功能的標(biāo)準(zhǔn)化

為了減少開發(fā)工作量及成本，IP核允許硬件端核心功能的標(biāo)準(zhǔn)化。得益于這種兼容性，通用IP核使汽車制造商在選擇半導(dǎo)體元件時(shí)具有更大的靈活性，在選擇汽車電子設(shè)備中的ECU時(shí)也是如此。這些核心組件在汽車中新電氣電子 （E/E） 架構(gòu)的定義階段扮演著特殊的角色，在未來，他們將與圍繞微控制器、SoC和微處理器設(shè)計(jì)的軟件平臺(tái)和應(yīng)用程序進(jìn)行聯(lián)合設(shè)計(jì)。（圖1）

圖1為跨供應(yīng)商的多階段鏈?zhǔn)纠菏袌?chǎng)需求和IP核綁定，無論是 OEM（汽車制造商）還是Tier 1（系統(tǒng)供應(yīng)商）的需求，都取決于IP核用于一種或多種應(yīng)用。IP供應(yīng)商將這些特定條件下設(shè)計(jì)的、始終具有標(biāo)準(zhǔn)化核心功能的IP 核提供給半導(dǎo)體制造商進(jìn)行設(shè)計(jì)（如有必要，也可以提供單獨(dú)的版本）。Tier1和越來越多的OEM直接將設(shè)計(jì)好的半導(dǎo)體組件應(yīng)用于他們的車輛ECU。產(chǎn)業(yè)鏈競(jìng)爭(zhēng)無疑會(huì)帶來創(chuàng)新，但I(xiàn)P核會(huì)保障核心功能的標(biāo)準(zhǔn)化。

IP核在汽車SoC（片上系統(tǒng)）的應(yīng)用

IP核在汽車行業(yè)最著名的例子大概是英國(guó)公司ARM的處理器核。ARM提供基于RISC（精簡(jiǎn)指令集）架構(gòu)計(jì)算內(nèi)核的獨(dú)立許可證，支持全球范圍內(nèi)的半導(dǎo)體制造商開發(fā)自己的SoC，使其無需自行開發(fā)專有內(nèi)核。另一種選擇是使用開放標(biāo)準(zhǔn)的 RISC-V開源指令集架構(gòu)，它擁有來自多個(gè)供應(yīng)商的開源內(nèi)核，在很大程度上可以自由使用。兩相比較，在質(zhì)量保證和開發(fā)可靠生態(tài)系統(tǒng)方面，后者用戶需要承擔(dān)更高的成本。

IP核的另一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域是車輛中的安全數(shù)據(jù)傳輸。特別是在實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)化的傳輸協(xié)議時(shí)，使用現(xiàn)成的IP核不僅大大減少了半導(dǎo)體制造商的開發(fā)工作，也更容易確保與相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的兼容性和一致性。對(duì)IP功能的廣泛驗(yàn)證，以及按照汽車行業(yè)規(guī)定的去證明其安全性和互通性的認(rèn)證工作量是非常巨大的。如果每個(gè)半導(dǎo)體制造商需要進(jìn)行單獨(dú)驗(yàn)證，這將帶來相應(yīng)的組件成本的大幅增加。

在通信總線領(lǐng)域，汽車IP的應(yīng)用是通過各個(gè)IP供應(yīng)商提供的CAN控制器來實(shí)現(xiàn)的。在超過 10 Mbit/s 的標(biāo)準(zhǔn)化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)這一領(lǐng)域中，博世增強(qiáng)型 CAN XL IP核已經(jīng)進(jìn)入市場(chǎng)，作為 10 BASE T1S 以太網(wǎng)的強(qiáng)有力競(jìng)爭(zhēng)者（如圖2）。

CAN XL延續(xù)了低成本高性能的 CAN 網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)：包括靈活的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和成本與帶寬之間的權(quán)衡，以及車輛中面向未來通信協(xié)議的最新功能，如用于各種隧道傳輸協(xié)議的高達(dá)2048字節(jié)的大型有效載荷，安全傳輸以及服務(wù)質(zhì)量機(jī)制。

實(shí)時(shí)的關(guān)鍵控制和驅(qū)動(dòng)：推動(dòng)汽車IP的開發(fā)的不僅僅是設(shè)備開發(fā)過程中實(shí)現(xiàn)協(xié)同作用與降低成本的訴求，也是汽車行業(yè)對(duì)半導(dǎo)體設(shè)備架構(gòu)中實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化的期望。雙供應(yīng)商甚至多供應(yīng)商策略在半導(dǎo)體行業(yè)，尤其是在產(chǎn)品供不應(yīng)求時(shí)是必需的，因此將微控制器、微處理器和SoC架構(gòu)中那些特別影響軟件應(yīng)用實(shí)施部分的標(biāo)準(zhǔn)化刻不容緩。只有這樣，才能實(shí)現(xiàn)跨供應(yīng)商的器件快速替換。

這方面的一個(gè)經(jīng)典案例是博世的通用定時(shí)器IP模塊（GTM），它已經(jīng)被各半導(dǎo)體制造商用于微控制器中。在近似硬件編程的關(guān)鍵時(shí)間控制應(yīng)用中，GTM使得在大量的微控制器中相同應(yīng)用的使用成為可能，從而大大減少了移植的工作量（圖3）。GTM IP 的可擴(kuò)展結(jié)構(gòu)和通用性適用于處理任何數(shù)字輸入信號(hào)，也能為執(zhí)行器生成最復(fù)雜的控制信號(hào)。它可以用于各種各樣的應(yīng)用領(lǐng)域，并將定制的IP版本集成到半導(dǎo)體中--從內(nèi)燃機(jī)和電力驅(qū)動(dòng)中的電機(jī)控制，到廣泛的車身和底盤應(yīng)用，直至可以模擬串行接口。

在汽車領(lǐng)域開發(fā)高效 IP 的另一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域是復(fù)雜數(shù)學(xué)函數(shù)的計(jì)算，例如以嵌入式 AI（人工智能）、機(jī)器學(xué)習(xí)或硬件加速器的形式，在運(yùn)行時(shí)靈活、動(dòng)態(tài)地適應(yīng)復(fù)雜數(shù)學(xué)算法的實(shí)現(xiàn)。目前可用的IP僅適用于用SIMD結(jié)構(gòu)加速的數(shù)學(xué)運(yùn)算，而且通常很難被集成到嵌入式系統(tǒng)的調(diào)度中。

目前，幾家半導(dǎo)體制造商正在推出一種能夠克服這種局限的IP。如果沒有數(shù)據(jù)流結(jié)構(gòu)（DFA）IP，各種ECU很快就會(huì)需要千兆赫處理器。在許多情況下，比起昂貴得多的微處理器，帶有DFA的微控制器（圖4）將成為更有吸引力的選擇，使OEM和Tier1能提前為之后的算法做好準(zhǔn)備。

另一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域是跨領(lǐng)域和跨協(xié)議的數(shù)據(jù)處理：未來的電子電氣架構(gòu)將同時(shí)使用多種通信協(xié)議，必須確保這些協(xié)議之間的數(shù)據(jù)交換具有高帶寬和可靠性，例如保障數(shù)據(jù)的低延遲和低抖動(dòng)。只有這樣，我們才能在ECU中自由地設(shè)置各個(gè)功能。所有功能集中在整個(gè)ECU中（圖5），因此需要在多種協(xié)議之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，如不同節(jié)點(diǎn)上的車載電腦、區(qū)域控制器和網(wǎng)關(guān)，就分別使用了LIN、CAN和以太網(wǎng)協(xié)議。當(dāng)基于軟件的解決方案達(dá)到極限時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致零星數(shù)據(jù)包的丟失，但基于硬件的解決方案卻能夠在車輛的各個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行快速可靠的實(shí)時(shí)通信。要應(yīng)用基于硬件的解決方案，不同ECU中的標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)施是其中的關(guān)鍵。未來，像增強(qiáng)型數(shù)據(jù)引擎（EDE： Enhanced Data Engine）這樣的IP核將使半導(dǎo)體供應(yīng)商能夠?yàn)椴煌漠a(chǎn)品如微控制器、片上系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)交換芯片提供標(biāo)準(zhǔn)化的通信。由車輛傳感器發(fā)送的CAN/LIN數(shù)據(jù)包以隧道形式通過以太網(wǎng)主干轉(zhuǎn)發(fā)。根據(jù)應(yīng)用中的具體需求，EDE IP核可以與內(nèi)部或外部物理接口（收發(fā)器）相結(jié)合。

成功整合的先決條件

除了定義和實(shí)現(xiàn)汽車IP外，汽車行業(yè)不斷增長(zhǎng)的需求對(duì)IP供應(yīng)商來說也是一個(gè)重大挑戰(zhàn)。將IP核無縫集成到相應(yīng)的微控制器中需要一長(zhǎng)串包含IP源代碼的交付物，通常以VHDL或Verilog硬件描述語言的形式進(jìn)行交付：

· 使終端用戶能夠理解和使用 IP 功能的交付物，例如用戶指南、正式的寄存器描述

· 使半導(dǎo)體制造商能夠?qū)⒃揑P集成到各自的微控制器或片上系統(tǒng)中的交付物，例如集成指南、合成參數(shù)、集成測(cè)試結(jié)果

· 用于證明合格的質(zhì)量和安全性的交付物，例如驗(yàn)證計(jì)劃和相關(guān)的代碼覆蓋率、證書

近年來，質(zhì)量保證和功能安全方面的重要性大大提高?，F(xiàn)代驗(yàn)證方法如通用驗(yàn)證方法（UVM），使得IP供應(yīng)商能夠在驗(yàn)證環(huán)境中實(shí)現(xiàn)代碼和功能覆蓋率方面的目標(biāo)值。此外，它們?yōu)閷P供應(yīng)商的驗(yàn)證活動(dòng)集成到半導(dǎo)體制造商的微控制器驗(yàn)證中提供了可能，從而實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的端到端的功能覆蓋。這些驗(yàn)證活動(dòng)通常由IP驗(yàn)證來補(bǔ)充，例如通過FPGA來實(shí)現(xiàn)，這使得真實(shí)環(huán)境中對(duì)功能進(jìn)行早期測(cè)試成為可能。

對(duì)于IP供應(yīng)商和微控制器制造商來說，通過認(rèn)證來確保和證明的功能安全會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的工作量。雖然IP通常是獨(dú)立的，即所謂的“脫離背景的安全要素（SEooC）”，但如果沒有進(jìn)一步的系統(tǒng)級(jí)保護(hù)，很少能達(dá)到更高的完整性水平，如滿足ASIL-D（D級(jí)汽車安全完整性）。在IP開發(fā)期間，必須遵守相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范，如ISO-26262。這使得IP供應(yīng)商需要向半導(dǎo)體制造商提供必要的如FMEDA數(shù)據(jù)，安全手冊(cè)和證書等文件和ISO-26262驗(yàn)證證明，便于制造商確保產(chǎn)品在系統(tǒng)層面符合相應(yīng)的汽車安全完整性等級(jí)。

生態(tài)系統(tǒng)是成功的關(guān)鍵

IP核成功的另一個(gè)不可忽視的組成部分是相關(guān)的生態(tài)環(huán)境（圖6），這不完全由IP 核的創(chuàng)始人提供，也需要通過與現(xiàn)有供應(yīng)商的合作來實(shí)現(xiàn)。接受和無障礙使用IP核的先決條件是要有豐富的開發(fā)環(huán)境，包括合適的工具，編譯器、軟件或驅(qū)動(dòng)程序，以及有效的資料和培訓(xùn)。值得一提的是，將IP核整合到虛擬仿真平臺(tái)上已經(jīng)變得越來越重要。因此，用于IP核建模的System C或類似的建模語言成為了核心要求。

結(jié)語

汽車IP核的開發(fā)對(duì)質(zhì)量、所需的集成工具和相關(guān)的生態(tài)系統(tǒng)提出了較高的要求。然而，在供應(yīng)鏈的層面上，標(biāo)準(zhǔn)化所帶來的好處遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了所付出的努力。因此，就像其它已經(jīng)面對(duì)過相似問題的行業(yè)（如工業(yè)自動(dòng)化）一樣，未來，汽車IP核將逐漸站穩(wěn)腳跟并且變得越來越重要。