汽车芯片向先进工艺进击，恩智浦发布两款16nm实时处理器

如果观察汽车行业这几年来的变化：从汽车类型和需求来看，新能源汽车和自动驾驶汽车开始普及；从市场行情来看，缺芯仍是一大困扰难题；从供应链趋势来看，传统汽车供应链正在被颠覆，整车厂越来越多的参与到芯片设计；从汽车技术角度来看，汽车电子电气架构向软件定义汽车演进；作为汽车领域第二大的芯片供应商，恩智浦总能敏锐的捕捉到这些市场需求，也十分重视在高性能微处理器产品上的迭代。

近日，恩智浦推出了两款16nm工艺的“实时”处理器，并且路线图已经规划到了5nm。这意味着，汽车微处理器正在通过向先进工艺进发，来应对不断变化的汽车市场新需求。

过去20年来，汽车的传统架构一般都是由单一功能的ECU来连接，整个汽车的布线就如同碗里的意大利面一样复杂和混乱，小型车辆大概有20到30个ECU，大型车辆则有超过100个ECU。然而，近年汽车电子电气架构开始向域和区域化的趋势转型。在域方面，主要是对软件进行了整合升级，使得部分ECU的功能都能集成到一个核心的域ECU上，区域化则更多考虑相邻位置的ECU功能的合并，简化了线束连接。

如此多功能的合并和集成在一起，对处理器的实时响应处理提出了更高的要求。根据维基百科对“实时”的定义：实时是指各个计算运算必须保证在指定时间（截止时间）内响应，通常所指时间段相对较短。

汽车中的许多应用如域控制、区域控制、安全处理、制动系统、转向系统、电子稳定控制、牵引电机控制、扭矩控制、电池管理、能耗优化、电源转换、车载充电、实时数据分析等，都需要建立在实时、安全控制的基础之上。因此“实时处理”越来越重要。

为了满足电子电气架构演进对处理器芯片提出的新要求，恩智浦近日宣布推出两个新的处理器系列S32Z和S32E。S32Z和S32E是具备安全MCU关键确定性行为的全新处理器系列，提供出色的千兆级速度、多应用隔离和存储器扩展功能，是软件定义汽车跨域车辆功能安全集成的理想选择。

S32Z和S32E最大的特点是“实时”功能。为了满足时序限制，处理器内核必须满足性能要求，提供快速中断响应并提供确定执行，S32Z和S32E系列处理器中使用了8个带可分锁步支持特性的 Arm Cortex-R52处理器内核，来满足这些要求。Cortex-R52处理器内核还支持这些安全、实时应用所需的功能安全和虚拟机管理程序。

恩智浦S32Z和S32E 处理器的功能比现有汽车微控制器更全面。与通常在300~400 MHz范围内运行的竞争产品28nm安全微控制器相比，S32Z和S32E处理器采用16nm工艺，速度高达1 GHz，具有强大的竞争优势。新型处理器系列可应对安全集成确定性高性能实时应用的挑战。处理器提供高达 64 MB 的集成 Flash 存储器，以实现零停机时间的大规模无线远程（OTA）升级，并且对于大型应用和 AUTOSAR®自适应应用，支持 LPDDR4 DRAM 和就地执行（XiP）模式的 Flash 扩展存储器。支持 24 个 CAN接口的通信加速器（FlexLLCE）与支持时间敏感网络（TSN）的千兆以太网交换机为“虚拟ECU”无缝提供汽车数据，从而提高效率，简化软件开发。硬件安全引擎（HSE）支持安全启动、加速安全服务和密钥管理。

这两款处理器都达到ASIL-D功能安全等级，实现了多核间互不干扰的高性能多任务实时处理。其中S32Z处理器适合用于安全处理、域控制和区域控制，而S32E处理器适合用于电动汽车（xEV）控制和智能驱动。

另外，值得一提的是，S32Z和S32E还集成了原本在网络处理芯片中特有的网络加速引擎。如下图应用示例所示，“左侧是传统的混合动力汽车的集成控制情况，而如今在电动汽车里需要控制很多的电子电气部件，包括电机、传统的引擎等等，其中有多个MCU运行，它们之间通过一些串行通信接口连接，且每一个MCU都是独立的。我们推出的S32Z和S32E能够提供一个通用的软件平台架，对这些传统功能进行集成，这意味着多个独立的应用能够在同一个处理器芯片中同时运行。我们把部署这些应用的硬件资源叫做租户，这样的架构也被叫做“多租户架构”。”恩智浦半导体资深副总裁，汽车控制及网络解决方案产品线总经理Ray Cornyn讲解到。

在恩智浦S32Z和S32E的设计当中有一个非常特殊的功能叫做“内核到引脚”硬件虚拟化，即每一个应用在虚拟的处理器上运行时都能够指定一组硬件资源集合，这样其他的应用就没有办法“盗取”它的资源，通过这样的设计可以保障使各个功能独立地运行。

恩智浦的S32系列产品有很好的软件兼容，比如在存储结构、信息安全、功能安全等方面，另外S32Z和S32E系列产品（包括中端和低端产品）在引脚方面也非常兼容。这将有助于实现软件定义汽车，降低软件集成复杂度，并增强安全性。

放眼整个S32实时处理器的整个路线图，S32Z和S32E是S32实时处理器这个全新系列的首款产品，是中端的千兆级产品。S32实时处理器的路线图已经规划到5nm解决方案，5nm芯片已进入功能测试阶段。预计在2023年底恩智浦还会推出低端的裁剪版本Z1系列，至于下一代更高性能的5纳米技术节点的产品，恩智浦的CEO Kurt Sievers先生已经在几周前的Computex活动上进行了测试芯片的展示。。

几年前，恩智浦为汽车基础设施平台推出了S32系列，除了本次发布的S32Z和S32E，此前恩智浦还发布了负责车身与舒适系统的S32K，还有主要负责汽车网络的S32G。S32系列产品在全球非常受欢迎，在中国的市场也尤其成功。恩智浦获得了中国多家汽车制造厂商的青睐和支持，包括泛亚、广汽、理想汽车等等，一系列车辆在电子控制系统中都选择了恩智浦的产品。恩智浦的S32系列产品也解决了目前汽车领域在安全控制、汽车服务和驾驶员舒适度等需求。

S32Z和S32E实时处理器被业界视为创新的硬件解决方案，据Ray Cornyn介绍，恩智浦的S32实时处理器荣膺2022年嵌入式大会硬件类奖项。这个奖项的颁布是对恩智浦的新架构、新功能，以及能够在单一的嵌入式处理器上同时运行多个应用，并达到前所未有的性能标准的认可。

图：恩智浦在大会上展示的一个开发套件——Green Box

产品推出是第一步，在软件定义汽车时代，产业链各供应商的合作更为密切，整个汽车生态系统需要进行深度协作，才能设计出具有下一代软件定义汽车所需性能和确定性行为的实时处理器。在这方面，博世与恩智浦在两个新处理器S32Z和S32E系列上进行了紧密合作。

博世表示，S32Z和S32E 处理器与嵌入式 NVM MCU 相比，性能提高了2 倍。两个新处理器系列具备集成平台的关键特性，带有 LPDDR4 DRAM 和闪存，可扩展存储。新处理器系列允许整合、隔离汽车的不同功能，性能强大，可以胜任以前需要多颗微处理器的场景，是嵌入式集成的理想之选。

S32Z和S32E系列处理器的推出巩固了恩智浦在安全高性能实时处理方面的领先地位，完善了S32汽车处理器产品组合，以支持客户实现多样化端到端域控制和区域汽车架构。凭借S32Z和S32E处理器的广泛用途和优势，全球领先的OEM和一级供应商能够开发具有不同实时处理性能需求的新型汽车架构。

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