NXP正式推出了全球首款5納米汽車MCU

2024年3月底，NXP正式推出了全球首款5納米汽車MCU，不過NXP并未稱其為MCU，而是叫S32N55 Vehicle Super-Integration Processor，實際上它就是MCU，當然稱其為SoC也未嘗不可。它具備高級汽車MCU的典型特征，首先是具備一個高效率的強調實時性的運算核心，其次是具備高安全內核，最高可達ASIL-D級標準，再次是具備多種網絡接口，包括CAN、LIN、FlexRay、車載以太網、CAN-FD、CAN-XL以及PCIe，CAN網絡接口至少有15個。當然稱其為MCU還是有些勉強，因為它沒有嵌入式閃存，只有SRAM。

S32N的E/E定位

圖片來源：NXP

S32N有點像多個MCU的集成，以S32N55為例，是集成了車輛動態控制、車身、舒適、中央網關。

NXP的S32N系列處理器分布

圖片來源：NXP

5納米的S32N55是S32N系列的首款產品，將來還有三款產品，這個系列應該至少都是5納米制造工藝，不排除有3納米制造工藝。圖上可以看出S32N55主要面對底盤、車身和網關領域的應用。

MCU是一個市場集中度很高的領域，2023年全球MCU市場大約298億美元，前五廠家市場占有率超過80%。

圖片來源：英飛凌

汽車MCU領域，英飛凌增長迅速，2020年還是全球第四，市場占有率不到10%，2024年已經成為全球第一，原本并列第一的瑞薩和NXP市場占有率快速下降，下降最快的則是德州儀器，從第三跌至第六。前五廠家市場占有率超過90%，國產汽車MCU的市場占有率估計不到2%。

圖片來源：英飛凌

眾所周知，相對汽車SoC，汽車MCU的制造工藝是很落后的，大部分國產汽車MCU是90納米，稍微高端的是65納米，國外高端主流的汽車MCU是40納米制造工藝，比如英飛凌的TC39X（由美國格羅方德代工），瑞薩的RH850，NXP的i.MX系列，40納米工藝已經有10年歷史了。隨著對MCU算力的增長，晶體管數量快速增加，汽車MCU的制造工藝在加速進化，2019年2月瑞薩第一個推出28納米制造工藝的汽車MCU，即RH850/U2A。2023年4月瑞薩推出首款22納米MCU，不過不是汽車領域。2024年年初，英飛凌的TC49X系列也開始使用28納米制造工藝，意法半導體則在CES2024上展出了28納米汽車MCU樣品。

最先進的還是NXP，NXP在2022年就推出了S32Z和S32E系列汽車MCU，采用了16納米制造工藝，不過NXP稱之為Safe and Secure High-Performance Real-Time Processors，本質上就是汽車MCU。

汽車MCU在40納米制造工藝徘徊近十年，最主要的因素還是受限MCU內部的嵌入式閃存（eFlash）本身制程。閃存的制造工藝擴展到40nm以下非常困難，不僅要考慮各種參數和成本，同時很難集成到非常復雜的高K金屬柵極技術中。也就是說先進工藝汽車MCU的關鍵不在MCU廠家本身，而在晶圓代工廠那里。隨著汽車智能化和電動化，汽車MCU的嵌入式閃存容量暴增，比如采用更加先進的制造工藝和更先進的存儲技術才能滿足這個需求。四大MCU廠家中，瑞薩和NXP都選擇了STT-MRAM，意法半導體的方向是PCM（相變存儲器），也是計劃在2024年量產，英飛凌則選擇RRAM技術。

三種技術比較：

PCM RESET后的冷卻過程需要高熱導率，會帶來更高功耗，且由于其存儲原理是利用溫度實現相變材料的阻值變化，所以對溫度十分敏感，無法用在寬溫場景。為了使相變材料兼容CMOS工藝，PCM必須采取多層結構，因此存儲密度過低，在容量上無法替代NAND Flash，成本偏高。不過意法半導體稱自己已經解決了這些缺點。

MRAM雖然性能較好，但臨界電流密度和功耗仍需進一步降低。目前MRAM的存儲單元尺寸仍較大且不支持堆疊，工藝較為復雜，大規模制造難以保證均一性，存儲容量和良率爬坡緩慢。

RRAM，它的缺點是器件級變化性。器件級變化性直接關乎芯片的可靠性，但由于RRAM器件狀態的轉變需要透過給兩端電極施加電壓來控制氧離子在電場驅動下的漂移和在熱驅動下的擴散兩方面的運動，使得導電絲的三維形貌難以調控，再加上噪聲的影響，因此容易造成器件級變化性，不過臺積電解決了這個問題。貌似是幾大MCU廠家在競爭，實際都是依靠臺積電，瑞薩的MCU大部分也是臺積電生產的。

MRAM的制造工藝可達16納米，相信NXP的16納米汽車MCU就是用了MRAM。

為什么要采用5納米工藝制造MCU，需求主要來自三方面：

一方面是電動車的車輛控制算法越來越復雜，特別是加入了智能駕駛以后，不僅需要常規的串行計算，還有并行計算乃至矢量或矩陣運算。車輛控制算法要求高實時性，延遲低于1毫秒，因此需要高算力。

另一方面是軟件系統越來越復雜，MCU上需要運行很多中間件和中小型的虛擬機和操作系統，這也會消耗大量算力。

最后是車身和舒適系統也變得越來越復雜，特別是座椅和車燈，也需要消耗大量算力。高算力意味著更多的晶體管數量，這就需要先進工藝的高晶體管密度，這里的算力不是AI算力，所謂AI算力基本上指的是矩陣乘法運算，汽車領域99%的運算都不是矩陣乘法。高算力催生了5納米汽車處理器芯片。

回到S32N55，針對電機控制，S32N55有Automotive Math and Motor Control Library (AMMCLib)算子庫，支持AUTOSAR和小型實時操作系統如Zephyr，支持AUTOSAR MCAL實時驅動RTD，支持Type1型虛擬機，支持平臺內通訊協議棧IPCF，支持Safety Software Framework (SAF) 和Structural Core Self-Test (SCST)。

S32N55內部框架圖

S32N55內部包含4個實時運算單元，每單元一個4核心的Cortex-R52。

R52典型制造工藝是16納米，最高時鐘頻率大約1.6GHz，性能一般是2.72DMIPS/MHz，S32N55的R52頻率是1.2GHz，算力就是16*1200*2.72=52KDMIPS，這個算力是國產智能駕駛主流芯片CPU算力的兩倍，與德州儀器TDA4中檔芯片的CPU算力持平。常見的底盤MCU如英飛凌的TC397，算力是1.3-4KDMIPS，不到S32N55的1/10。

S32N55主要特點

圖片來源：NXP

S32N55擁有多達48MB的SRAM，傳統汽車MCU如底盤界霸主英飛凌的TC397其SRAM容量最高不到7MB，如此高的容量如果還用傳統的28或40納米工藝，那成本會非常驚人。為了降低成本，S32N55內部沒有NVM，采用外接的8通道Octal Nor Flash，畢竟嵌入式NVM最高容量也不過64MB，外接式可以輕易到256MB。

S32N55面向軟件定義汽車而生，自然少不了虛擬原型Digital Twin和云端部署支持，這部分支持主要由Synopsys完成。

S32N55虛擬原型生態系統

圖片來源：NXP

S32N55虛擬原型，可直接在ARM平臺電腦上編程后直接上車，即最頂級的虛擬ECU。

S32N55生態系統

圖片來源：NXP

S32N55代表了軟件定義汽車（SDV）時代MCU的設計。SDV時代，MCU的數量會減少30-60%，高集成高算力MCU是未來發展趨勢。

審核編輯：劉清