隨著汽車朝智慧化、自動駕駛的方向發展，對微控制器(MCU)需求持續增加；未來不論是自駕車、車聯網，都有著各式各樣的連接控制、數據與訊號處理，而MCU便扮演關鍵的控制角色。
恩智浦半導體(NXP)大中華區車用微控制器與微處理器事業部產品行銷經理張曦(圖1)表示，雖說2019全球整體車市成長可能放緩，但是受各地區更嚴格的安全和排放法規影響，汽車的電子化比重還會成長，也就是說車內電控系統的裝載率還會提升，車用MCU市場還會保持成長。
其次，伴隨著新能源、智慧聯網和自動駕駛技術的快速發展和日趨成熟，以及整車電子電氣架構的演進，對車用MCU不僅需求增加，且對其性能、功能、生態以及開發難度都提出了新的要求，比如運算力、功耗、功能安全、資訊安全、線上升級、軟體相容性、複用性、可攜性等等。
創新應用/安全推升車用MCU需求
德州儀器(TI)半導體行銷與應用嵌入式系統總監詹勳琪(圖2)表示，MCU在車用市場可分為五個應用，第一是影音娛樂，第二是電動車的電源管理(尤其是電動車的OBC、OBG、AC-DC、DC-DC等)，第三是現今十分熱門的自動駕駛輔助系統(ADAS)，再來是車體照明，最後則是汽車被動安全(安全氣囊)。而目前電動車、ADAS話題相當熱門，也因而成為驅動車用MCU成長的兩大關鍵推手。
詹勳琪指出，MCU於電動車的主要應用還是在馬達控制、電源管理之上，像是OBC、OBG、AC-DC、DC-DC，最主要的目的便是使電動車能有更好的能源使用效率。至於ADAS方面，則是車用感測器帶動(如超音波、雷達、攝影機等)，因ADAS的感測器都會搭配MCU進行控制，MCU的需求遂而上揚。
因應電動車、ADAS市場需求，TI也備有相關解決方案，像是C2000 Piccolo微控制器組合最新產品「C2000 F28004x MCU」，可優化如電動車車載充電器、馬達控制逆變器和工業電源供應等高成本電源控制應用。開發人員可利用該產品減少物料成本，同時建構更小、更可靠的系統，提供系統保護和新功能，實現高性能的電源控制系統。
該產品特色包括：優化的性能和功率；先進的驅動和靈活的設計，可有效提高效率和功率密度；強化的數位和類比交叉開關，靈活地支援控制和保護機制；以及嵌入式即時分析和診斷單元強化了除錯功能，超高速序列介面提高了隔離範圍內的輸送量，靈活的引導模式使開發人員能夠減少或消除引導模式針腳。
又或是用於安全控制的Hercules MCU系列產品，該系列產品強化多項安全特性，憑藉整合型即時指令和資料追蹤支援，系統和軟體開發人員將得到富有洞察力、高效率和更好的代碼分析除錯體驗以及更高的執行力，將有助於設計人員更為簡便快速地滿足針對交通運輸應用的ISO 26262功能安全性標準，如先進駕駛輔助系統、網域控制、電子推進系統等。
詹勳琪表示，事實上，車用MCU的應用十分廣泛。然而，不論是用於電動車馬達控制、ADAS系統或車體控制等，車用MCU的共通設計要點便是「安全性」。為了要確保安全性，MCU不僅須通過ISO26262 ASIL A~D(依車廠要求)的認證，也須在MCU中添加所謂的「備援機制」，也就是車用MCU開始採用雙核心鎖步(Lockstep)的設計。
詹勳琪進一步說明，具備雙核心的MCU意味有著雙重保險，也就是同樣的程式由兩顆核心進行運算，而當其中一顆核心故障時，另一顆可以立刻進行錯誤處置，而不致於使運算出現問題，影響駕駛安全。
扮演稱職綠葉 新應用/技術少不了MCU
意法半導體(ST)亞太區汽車產品事業體行銷經理陳錫成(圖3)則透露，車用市場一直都是穩定成長，而MCU扮演著輔助的角色，只要有新的應用、技術出現，MCU的需求也會隨之增加。
陳錫成說明，不論是油電混合車、電動車或是自駕車，將過往機械控制部分改為半導體晶片控制(例如車窗、座椅等)時，除了需要高效能的中央處理器外，也需透過MCU進一步強化控制效率。又或是要將AI導入汽車當中，當中央處理晶片運算效能不足時，也需要MCU從旁輔助，進而提升資料存取、運算能力和加強隱私，也因此，隨著創新應用的崛起，MCU的需求也會持續增加，且用途會愈加廣泛。
為此，ST備有SPC5 32位元微控制器系列產品，其結合了可擴展的單核，雙核和多核解決方案以及ST獨有的嵌入式閃存技術、符合ISO 26262(最高為ASIL-D)等標準的安全性、完全性能高達150℃、符合標準的數據安全性，包括安全硬體擴展(SHE)和電子安全車輛入侵保護應用程序(EVITA)，以及完整的開發環境(從免費的IDE，代碼編譯器和低成本調試器解決方案到支持AUTOSAR設計的高階解決方案)等特色，得以滿足汽車聯網、馬達控制、安全、低功耗等設計需求。
此外，因應自動駕駛發展，ST近日也宣布旗下內建嵌入式相變記憶體(ePCM)的28nm FD-SOI車用MCU技術架構和性能標準，並從現在開始提供主要客戶搭載ePCM的微控制器樣片，預計2020年按照汽車應用要求完成現場試驗，並取得全部技術認證，未來將用於汽車傳動系統、先進安全閘道器、安全/ADAS系統以及汽車電動化。
據悉，隨著汽車系統的要求越來越高，提升處理能力、節能降耗、更大儲存容量等需求推進微控制器廠商開發新的車用MCU架構。隨著韌體複雜性和代碼量大幅提升，對容量更大的嵌入式記憶體需求是當前汽車工業面臨的最大挑戰之一。而ePCM解決方案可以克服這些晶片和系統的挑戰，以進一步滿足AEC-Q100汽車標準的要求，其最高工作溫度可達+165℃，並確保在高溫回流焊製程後其韌體／數據可完好保存，並且抗輻射，為數據提供更多的安全保護。
陳錫成進一步解釋，隨著新應用不斷浮現，對於車用MCU而言，最明顯的要求除了系統效能越來越高之外，「提升安全性」更是勢在必行。也因此，雙核備援機制的設計開始增加，MCU開始從單核走到雙核；同時也需通過ISO26262 ASIL的認證，且隨著自駕車開始朝Level 3、Level 4發展，愈來愈多的車廠期望車用MCU不僅通過ASIL A/B/C的認證，也能符合最高級，也就是ASIL D的標準。
滿足安全規範
MCU設計挑戰多
自動駕駛風潮起，連帶推車用MCU需求增加，其效能和安全性也須跟著提升。張曦表示，自動駕駛是個極其複雜的系統，總體來說，要打造自動駕駛，需處理來自於各種感應器的資料，因此資料處理量大；同時需要有很強的運算能力，以透過神經網路深度學習來處理感應器資料，建立環境模型；再來是要有很強的自糾錯和異常恢復能力，實現Fail-Operation，才能確保駕駛安全，最後則是要有可靠的通訊能力，使前端與感應器通訊，收集資料，後端與執行機構通訊，完成自動駕駛。
如前所述，由於自動駕駛的特殊性，整個系統必須有很強的自糾錯和異常恢復能力，實現Fail-Operation，也就是在出現異常後，系統必須還要維持至少一定時間的最小系統運行。
為了實現這個目的，就要求系統能夠在最短時間內診斷恢復異常，如果不能恢復就要即時切換到備用系統，以保證整體功能安全。為此，必須採用符合功能安全ASIL-D級的處理器和控制單元，滿足高可靠性的需求，同時也必須有高性能的平行運算能力，滿足大量資料處理、運算需求。
張曦進一步說明，要開發ASIL-D級的處理器，在設計上會有許多特殊的考量，包含互相校驗的互鎖內核、帶自動校驗和恢復的匯流排和記憶單元、內置自測試模組、亂序記憶陣列，以及異常搜集通訊模組等。須符合這些考量，才能開發與具功能安全的處理器和控制元件，進而簡化功能安全系統的開發，克服系統複雜度高、代碼量大；系統複雜度成長快、升級頻繁；新應用新技術導入加速、開發週期縮短；以及對系統功能安全和資訊安全的要求日益提高等挑戰。
如前所述，為了打造更加安全、可靠的車用MCU，在設計上會有很多特殊的考量，而為了應對這些挑戰，NXP推出S32處理器平台，藉由基礎共用平台涵蓋不同應用處理器間的共同需求，像是運算性能、功能安全、資訊安全、線上升級等，進而提升軟體移植性和複用性，同時在不同的應用處理器上搭載專屬硬體加速器提升系統應用功能處理能力。
張曦指出，透過這種方式，使得該公司的車用處理器提升了10倍以上的性能，並提高代碼複用度，縮減系統開發週期；且全平台支援功能安全，資訊安全和系統升級，也大幅提升系統覆蓋度，使得車上任何區域的電控系統，都可找到NXP相對應的車用處理器進行開發。如此一來，便能協助汽車電子業者加速系統開發週期和上市時間。
MCU供應商/車廠密切合作打造完善安全系統
Microchip汽車產品事業部門美洲區行銷經理David Schellenberger(圖4)則認為，現今的汽車行業有四大趨勢，分別為自動駕駛、電氣化、網路化和資料安全性。消費者的偏好和政府新法規的制定是這些趨勢背後的關鍵驅動因素，消費者對自動駕駛提供的眾多便利和改進感到興奮，從共享移動性到增強的交通多元化，再到更安全的道路；至於電動汽車改善了環境，使汽車製造商能夠滿足政府規定的燃油效率法規。
此外，也需要先進的網路連接規畫來實現這些趨勢，消費者同時也渴望跟他們的車輛有更智慧的連結；最後，所有目標都需要更好的資料安全防護，使車輛更安全，更能抵禦惡意攻擊。
不過，要實現自動駕駛車輛，必須要仰賴感測器和外部環境所蒐集的大量數據，才能夠安全可靠地運行。也因此，汽車MCU必須要能以非常高的速度處理和傳遞這些數據，以便進行即時決策，這種通訊必須非常安全可靠。
Schellenberger透露，為此，該公司正致力於將汽車MCU的設計重點放在先進通訊協定和網路安全模組等領域，由於自動駕駛是一個新興市場，其中會包括許多並非傳統汽車領域的產業，因此缺乏一致的產業要求以及不斷演進的技術會帶來很大的挑戰。因而推動了半導體供應商與汽車OEM和一級設計師之間的密切合作，以滿足這些不斷變化的需求。
除此之外，數據安全運作和網路傳輸安全是目前最重要的兩個趨勢，因此Microchip致力於了解產業需求並在這兩個領域開發解決方案，並與汽車業者密切合作，確保整體系統解決方案，包括MCU、類比、連接、記憶體和安全零組件等性能與可靠性，使其能夠開發高效能/高安全性的嵌入式控制系統。
車用MCU持續滿足節能/安全/舒適要素
總而言之，汽車工業的目標始終是為使用者打造更為節能、更為安全、更為舒適的車輛，所有的汽車電子發展也是圍繞這三大主題展開，包括最近十分熱門的新能源，智慧聯網和自動駕駛技術。
張曦指出，圍繞上述三大目標，現代車輛便須裝載越來越多、越來越複雜同時卻必須越來越安全的電控系統。因此，對車用MCU的要求可歸納為以下六點：
1.需更高的性能，以適用越來越複雜的系統。
2.需更低的功耗實現節能環保。
3.需更高的功能安全和資訊安全，打造更為安全可靠的系統。
4.需更高的複用和移植性，以更快更可靠的實現新功能和系統開發。
5.需更高的相容和線上升級能力，才能更快更方便實現新功能的反覆運算。
6.需更強的通訊能力，以支援更多通訊介面和協定，實現各模組間的交互通訊。
