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傳統(tǒng)汽車向電動和網(wǎng)聯(lián)汽車轉型的變革趨勢下，為半導體廠商帶來了巨大機遇。在順應這兩大趨勢的過程中，汽車半導體器件的數(shù)量越來越多，且飛速增長。傳統(tǒng)上，一輛汽車中半導體器件的成本約500美元，而軟件定義的電動汽車中，半導體器件成本預估為1500-2000 美元，是傳統(tǒng)汽車的3-4倍。
可觀的規(guī)模和成長空間，自然吸引了半導體廠商紛紛“重注”。意法半導體（ST）就是如此，作為一家擁有廣泛產(chǎn)品組合的半導體公司，汽車是其重點關注的市場之一，它也從這種布局中獲得了可觀的回報。2021財年，汽車和分立器件產(chǎn)品部（ADG）總營收43.5億美元，貢獻了ST總收入的30%以上。與2020年相比，汽車產(chǎn)品分部與功率和分立器件分部的營收增幅均超過30%；從營收分布情況來看，2021年ADG部門70%的收入來自汽車，隨后依次是工業(yè)(23%)和個人電子產(chǎn)品(7%)。
日前，ST汽車和分立器件產(chǎn)品部(ADG)戰(zhàn)略業(yè)務拓展負責人Luca Sarica在接受媒體采訪時談到，今年5月在巴黎舉行的資本市場日（Capital Market Day）活動中，ST發(fā)布了全球戰(zhàn)略，并宣布要在2025~2027年成為一家營收超過 200 億美元的企業(yè)，這一使命背后的主要動力就是汽車業(yè)務。
電動化、數(shù)字化趨勢下的汽車半導體
根據(jù)Luca Sarica的解釋，在汽車電動化和數(shù)字化的兩大趨勢中，除了上文所提到的半導體器件應用空間的數(shù)倍增長，還有相應的價值空間的攀升。
在電動化趨勢下，電動汽車將新增電驅逆變器、車載充電器、DC-DC變換器和電池管理系統(tǒng)這四大主要電子模塊。除去常規(guī)電子器件，每輛汽車新增的半導體器件成本達到1000美元?？梢哉f，新增的90% 的電子器件都來源于電源設備。
數(shù)字化趨勢下，汽車則需要更多的先進微控制器和處理器、視覺系統(tǒng)、V2X和互聯(lián)以及雷達系統(tǒng)，每輛汽車由此新增加的半導體器件價值預估在350美元左右。
過去幾年，ST在電動汽車/汽車電動化領域投入了大量資金，包括投資寬禁帶技術和解決方案，如碳化硅、氮化鎵等。目前，在碳化硅領域，ST據(jù)稱是汽車行業(yè)首家提供一流解決方案、可幫助用戶制造超高能效電動汽車的企業(yè)。
同時，在數(shù)字化領域，ST支持向軟件定義汽車的轉型，投資開發(fā)了FD-SOI 數(shù)字技術，該技術配備有嵌入式非易失性存儲器和相變存儲器（PCM），是Stellar MCU統(tǒng)一數(shù)字平臺的主要驅動力量。值得一提的是，Stellar統(tǒng)一數(shù)字化平臺主要用于滿足連接云端的汽車需求，相當于每輛車的“大腦”，ST方面稱，該數(shù)字平臺包含微控制器和微處理器，旨在滿足原始設備制造商和汽車制造商對新架構的需求，確保他們能夠獲得整體功能，能夠根據(jù)需求將汽車連上云端，更新軟件，并運行個性化的軟件平臺。它是計算能力需求比傳統(tǒng)汽車高10多倍的軟件定義汽車的基礎。
此外，Luca Sarica也強調了產(chǎn)能的重要性，在ST的戰(zhàn)略性制造計劃中，擴大12寸晶圓產(chǎn)能和寬禁帶技術產(chǎn)能非常關鍵，今年的關鍵進展包括：7月宣布和格芯在法國建立300mm新廠推進FD-SOI生態(tài)系統(tǒng)建設；10月宣布在意大利建立碳化硅襯底綜合制造廠等，預計2023年實現(xiàn)8英寸SiC晶圓量產(chǎn)，到2025年SiC產(chǎn)能再提高2倍。
軟件定義汽車，改變了什么？
“軟件定義汽車帶來兩個根本性的變化：第一，它創(chuàng)造了新的用戶體驗。第二，它創(chuàng)造了新的商業(yè)價值”， ST ADG 汽車MCU事業(yè)部高級總監(jiān)兼戰(zhàn)略辦公室成員 Davide Santo認為。
他進一步解釋說，一方面，軟件定義汽車對車輛進行了再造，可以讓用戶靈活地使用軟件定義功能，并享受更好的性能，包括獲得更好的人身安全和聯(lián)網(wǎng)安全保障。同時，用戶還可以不斷為汽車添加各種新功能和服務，這樣，隨著時間的推移，汽車價值得到了不斷提升。另一方面，從原始設備制造商的角度來看，汽車的生命周期變長了，帶來了更多個性化售后服務的機會，完成了從過去傳統(tǒng)的“汽車模式”到無限用途開發(fā)周期的轉變。這一過程雖然增加了投資成本，但也提供了更高的回報。
那么，從 ST 的角度來看，如何打造強大的軟件定義的汽車？Davide Santo認為，軟件定義汽車的基礎包含三大支柱：首先，要盡可能地保證人身安全，絕不允許任何安全事故發(fā)生；其次，要保證信息安全，對于原始設備制造商而言，確保汽車能夠追蹤和收集數(shù)據(jù)極為重要；第三，汽車需要能夠“面向未來”，這是因為原始設備供應商想要進行無限用途的開發(fā)，需要擁有一個面向未來的底層基礎，以滿足未來對資源、靈活性和應對新挑戰(zhàn)能力的需求。
Luca Sarica表示，未來，原始設備制造商的成功在很大程度上取決于是否能夠提供軟件定義汽車架構所支持的額外特性、功能和服務。為此，他們應該讓自己產(chǎn)品的軟硬件平臺富有特色，從而獲得差異化優(yōu)勢。
同時，架構的改變也有助于原始設備制造商和汽車制造商實現(xiàn)兩個重要目標：一個是降低應用的總體擁有成本，例如，E/E 架構可以降低線束和車輛組裝的成本。二是原始設備制造商需要擁有一個強大的環(huán)境，因為未來的汽車用戶可能需要更多功能，或是車輛的某些功能需要改進，可以通過連接到云端的無線更新功能來實現(xiàn)，因此可擴展和可升級的軟硬件平臺至關重要，可以確保上述目標的實現(xiàn)。
硬件平臺扮演“樞紐”角色
“我們可以想象在汽車的新架構中，位于汽車外圍的所有傳感器和驅動設備將聚合和分發(fā)的數(shù)據(jù)傳輸到中央信息和高性能的計算中心——這個計算中心將在抽象的層面決定該做什么，并部署相關行動”， Davide Santo指出，“軟件定義汽車的基本原理其實就是獲取實時數(shù)據(jù)，并分區(qū)管理配電，從而將采用軟件重新配置汽車運行模式的想法變成現(xiàn)實?！?/p>
也就是說，汽車的硬件平臺需要發(fā)揮“類似于航空樞紐”的功能，就像大型機場中有小飛機降落，由小飛機將乘客和行李重新運往一個更大的國際機場，然后再進行新的長途運輸。
Stellar平臺就是ST承載“軟件定義汽車”理念的獨特平臺，由負責實時對象控制的微控制器(MCU)和具有應用級能力的微處理器(MPU)組成。其中，MCU系列除了能夠以最低的功耗提供最佳的實時性能外，還支持軟件隔離/虛擬化、自適應功能安全和先進的數(shù)據(jù)安全、高速連接和路由、OTA軟件無線更新等多重功能；MPU系列不僅可以提供實時性能，還能將算力、人身安全、數(shù)據(jù)安全和架構進行組合，便于用戶靈活添加面向服務的應用和支持人工智能、機器學習的算法。
在ST的通用架構軟件集成平臺中（如下圖），從上到下依次為：高性能的Stellar UP——它能夠進行面向服務的應用級計算；接下來是Stellar P/G系列，這是一個實時集成平臺，P指的是傳統(tǒng)的內燃機和新的動力傳動系統(tǒng)，G 指的是網(wǎng)關功能；最下面是專門針對電動化的產(chǎn)品家族Stellar E系列，涵蓋高性能計算和驅動?；诮y(tǒng)一的架構原則，Stellar系列涵蓋高性能計算和驅動應用，還擁有統(tǒng)一的計算引擎、人身安全和數(shù)據(jù)安全、通信系統(tǒng)和軟件工具。
如何應對電動汽車新挑戰(zhàn)？
基于強大的平臺功能，Stellar MCU 平臺能夠應對電動汽車的不同挑戰(zhàn)：首先，由于汽車配備大電池，會產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)的負擔，而Stellar平臺能夠將更多軟件集成到相同的 MCU 中，降低了數(shù)據(jù)遷移的復雜性，并減少了所需的電纜數(shù)量，進而減少了車輛的線束和重量。第二，也是最重要的一個方面——能源管理，該平臺能夠協(xié)調車輛戰(zhàn)略，有助于高效開發(fā)出精準監(jiān)控和電池平衡的電池管理系統(tǒng)，同時自身不會消耗太多電力，這是變得更為環(huán)保的基礎。此外，SiC/GaN的廣泛使用能夠讓車載充電機變得更輕、更小、更經(jīng)濟，通過一顆Stellar MCU就可以控制整個系統(tǒng)，大幅降低系統(tǒng)尺寸和成本。這些技術共同助力了低功耗模式的平臺能夠高效計算，從而提高了能源管理的效率。
據(jù)ST亞太區(qū)汽車產(chǎn)品市場及應用負責人鄭明發(fā)介紹，為了給中國市場提供更多支持，進一步履行對本地市場的承諾，2019年，ST在上海建立了新能源汽車技術創(chuàng)新中心(NEV)，能夠為客戶提供一個完整的生態(tài)系統(tǒng)，涵蓋系統(tǒng)設計套件、硬件設計、軟件、GUI開發(fā)系統(tǒng)、系統(tǒng)功能安全、基準和驗證測試報告，以及所有相關文檔。三年來，新能源汽車技術創(chuàng)新中心已成功開發(fā)了20多個應用解決方案，其中，7個專注于電氣化，5個專注于數(shù)字化或網(wǎng)絡連接，8個支持高能效(Forever-Green)。
在消除消費者對續(xù)航里程和充電時間的焦慮，不斷提升汽車安全性能，并讓汽車成本在可承受范圍內應對這些挑戰(zhàn)的過程中，NEV發(fā)現(xiàn)市場正在采用新的電子電氣架構區(qū)域(EEA)概念，其特點之一便是電氣化應用和智能應用的高度集成?；诖?，創(chuàng)新中心除了通過開發(fā)啟動系統(tǒng)解決方案套件，提供經(jīng)過驗證的基準測試結果，將概念性想法轉化為可行的應用解決方案外，還基于可移動、靈活和可擴展的模型方法論，為戰(zhàn)略合作伙伴提供量身定制的高度集成的多合一電氣化應用解決方案，甚至還可以考慮支持合作伙伴開發(fā)專用設備，以提高客戶解決方案的性能和市場地位。
汽車芯片“玩法”被顛覆
汽車制造商已經(jīng)充分了解了統(tǒng)一架構（新的E/E架構）相對于過去分布式架構的優(yōu)勢，他們希望能夠采用一個獨特的可在不同汽車和子系統(tǒng)進行拓展的單一架構，這將有助于簡化軟件的采用和開發(fā)，確保軟件的可擴展性和可移動性。
在未來生態(tài)中，汽車制造商將扮演越來越重要的角色，尤其是在軟件定義汽車領域，汽車制造商不僅和Tier 1和Tier 2供應商溝通，還直接與ST這樣的半導體廠商溝通合作，以確定汽車中所需的器件，從而實現(xiàn)汽車產(chǎn)品的差異化、提供更好的客戶體驗，并縮短整體開發(fā)周期。
大眾汽車已經(jīng)宣布，將基于ST的Stellar系列微控制器架構進行擴展，未來大眾集團的所有一級供應商將只使用雙方聯(lián)合開發(fā)的芯片（AU1系列），或者ST的Stellar系列標準微控制器。近期，大眾旗下軟件公司 CARIAD也宣布與ST合作，據(jù)了解，旨在共同開發(fā)Stellar 平臺的一個重要構建模塊—— MPU。
“這是一個富有成效的合作。一方面，可以通過CARIAD的軟件優(yōu)勢，提供統(tǒng)一軟件平臺，為大眾汽車的轉型提供強有力支持。另一方面，可以利用ST滿足未來需求的硬件能力”， Luca Sarica指出，“這項合作會成為一個強有力的加速因素，豐富Stellar統(tǒng)一數(shù)字平臺構建模塊的價值?！?/p>
下載ECAD模型
