全球汽车行业正在经历一场百年一遇的技术革命。根据 Strategy Analytics 的分析，在 2024 年，车载电子装置在整车成本中的占比已超过 35%，预计到 2025 年这一数字将超过 50%。这种转变由两股核心力量推动：

• 电气化：2024 年，全球新能源汽车 (NEV) 销量超过 1,400 万辆，中国市场渗透率达到 35%（CAAM 数据）。新能源汽车的销量激增，极大地增加了对动力总成系统（电池、电机和控制装置）中高可靠性 MCU 的需求。
• 智能：目前，超过 30% 的车辆具备 L2 级别以上的自动驾驶功能，同时智能驾驶舱和车辆联网已成为主流，使得每年对芯片算力的需求增长了 20% 以上。

MCU：“看不见的战场”：每辆车的 MCU 数量从传统内燃机车辆的 70 个增加到智能车辆的 300 多个，到 2025 年，车规级 MCU 的市场规模预计将达到 120 亿美元 (Yole D é veloppement)。

车规级芯片的“三道门槛”

汽车电子产品在功能安全、可靠性和供应链弹性方面的要求极高，与消费类电子产品大不相同：

1. 功能安全：ISO 26262 和 ASIL 等级
   1. 安全基线：ASIL B 已成为车身控制和舒适系统的最低门槛。例如，电动车窗防夹功能如果出现故障，可能会造成人身伤害，因此需要单点故障覆盖率达到 90% 以上。
2. 可靠性：AEC-Q100 认证
   1. 严格测试：包括 2000 小时的高温老化测试 (125°C)、1000 次热循环测试（-55°C 至大约 150°C）和机械振动测试（50G 加速度）。
   2. 寿命要求：汽车芯片必须保持 10 年以上的使用寿命，且故障率低于 1 FIT（每十亿小时发生 1 次故障）。
3. 供应链弹性：独立的生产线
   1. 长期承诺：汽车开发周期长达 3-5 年，要求芯片能够保持 15 年以上的稳定供应。

MSPM0 在汽车应用中的优势

MSPM0 专为中低风险场景 (ASIL A/B) 而打造，凭借出色的安全性、性价比和开发便捷性，重新定义了车身电子产品市场：

• 兼顾安全和成本：
  • 符合 ISO 26262 标准。TI 新产品开发流程具有管理系统故障所需的很多要素。此外，这些组件的文档和报告有助于遵循面向客户最终应用（包括汽车和工业系统）的各种标准。
  • 通过单核自检架构实现 ASIL B 等级，与竞争产品相比，硬件成本降低了 40%。
  • 提供 MCAL，它是 AUTOSAR 标准中定义的基本软件层的核心组件。AUTOSAR 由 EB Tresos 等第三方提供。AUTOSAR 的模块化和分层架构原生符合 ISO 26262 安全要求，这些元素的结合使用有助于创建安全、可重复使用的汽车电子系统。
  • 符合 AEC-Q100 1 级（–40°C 至 125°C）标准。客户可以提交申请，从 TI 生产件批准程序 (PPAP) 网站获取报告。
  • 符合 ISO 9001 / IATF 16949 标准。MSPM0 MCU 是使用 TI 的新产品开发流程开发的，此流程经 Bureau Veritas (BV) 评估，符合 ISO 9001/IATF 16949 标准。
• 强大的开放生态系统，有助于简化开发：
  • 与 CCS/Keil/IAR 开发环境兼容。Green Hills MULTI IDE 还支持 INTEGRITY、AUTOSAR Classic 和 u-velosity。
  • 支持多个编程器，如 XDS-110、Segger J-link、PEMicro Cyclone、C-GANG 等。
  • 由第三方提供丰富的驱动程序和库支持，如安全启动库、CAN/LIN 栈库、AUTOSAR 软件等，以满足不同的应用要求。
• TI 自身的供应链弹性：
  • 使用犹他州李海的 300 毫米晶圆制造厂进行生成，可保持稳定的产能。
  • 位于上海的专用汽车芯片仓库可将交货周期缩短至数周。
  • 保证 15 年以上的长期稳定供应。
  图 1-2 德州仪器位于犹他州李海的晶圆厂

ISO 26262 标准合规流程

ISO 26262 是面向汽车电子产品的国际功能安全标准，旨在系统地降低由电气/电子 (E/E) 系统中的故障导致的安全风险。主要方面包括：

• 范围：涵盖乘用车中 E/E 系统的整个生命周期，从概念设计到生产、运行直至停用。
• 目标：即使存在随机硬件故障或系统错误，也能确保系统保持安全状态。
• 结构：分为 10 个部分（第 1 部分至第 10 部分），解决安全管理、系统级开发、硬件/软件开发等问题。

ASIL A-D 是 ISO 26262 中定义的风险分类系统，用于对系统或功能安全要求的严格度进行量化。

功能安全手册是产品开发团队的合规性指南，通常由芯片制造商提供。以下是功能安全手册中的主要内容。

1. 安全目标：
   1. 定义目标 ASIL 等级和要求（ASIL B 的 SPFM ≥ 90%）。
2. 安全机制：
   1. 硬件：ECC 存储器，双核锁步。
   2. 软件：看门狗计时器，定期自检。
3. 开发流程：
   1. 安全分析 (FMEA /FTA)，可追溯性矩阵。
   2. 工具链认证（经 TÜV 认证的编译器）。

FMEDA 是 ISO 26262 规定的一种用于评估硬件安全性能的定量分析方法。该分析方法通常包含以下步骤：

1. 故障模式识别：列出潜在的硬件故障（开路/短路）。
2. 影响分析：评估安全后果（制动信号丢失）。
3. 诊断覆盖率计算：测量故障检测率（ECC 覆盖 90% 的存储器故障）。
4. 指标：
   1. 单点故障指标 (SPFM)：≥90% (ASIL B)，≥99% (ASIL D)。
   2. 潜在故障指标 (LFM)：≥60% (ASIL B)，≥80% (ASIL D)。

FIT 是衡量电子元件或系统可靠性的关键指标。它广泛应用于汽车和航空等安全要求极高的行业，尤其是在 ISO 26262 功能安全方面，用于量化随机硬件故障率。

1 FIT 表示某个组件在运行 10 亿小时后发生一次故障的概率。ISO 26262 规定了基于 ASIL 等级的硬件故障概率指标 (PMHF) 限制：

• ASIL D：PMHF ≤ 10 FIT（每十亿小时 ≤10 次故障）。
• ASIL B：PMHF ≤ 100 FIT。

总之，ISO 26262 提供了框架，而 ASIL 定义了框架的实施严格程度。功能安全手册将理论引导到实践中，并通过 FMEDA 和 FIT 提供定量验证。对于 ASIL B MCU (MSPM0)，重点兼顾安全 (SPFM ≥90%) 和成本效益。

ISO 26262 技术实现路径

AUTOSAR（汽车开放系统架构）是由主要的汽车制造商、供应商和工具开发商合作开发的汽车 E/E 软件架构开放标准。其核心目标是将传统汽车开发中的软件与硬件去耦合，实现模块化软件设计、跨平台可复用性和高效协作开发。

传统汽车软件开发面临以下挑战：不同供应商提供的 ECU 软件不兼容，导致集成成本居高不下。高级功能（自动驾驶、OTA）需要更灵活的架构。很难系统性地符合 ISO 26262 等标准。AUTOSAR 的解决方案通过标准化接口和分层架构解决了这些难题，使软件与硬件去耦合，从而可以像搭积木一样灵活组合各种软件组件。

AUTOSAR 的通用内核架构包含以下内容：

• 应用层：
  • 实现车辆特定功能（发动机控制、照明）。
  • 开发人员专注于业务逻辑，而不必受硬件因素的束缚。
• 运行时环境 (RTE)：
  • 提供通信接口（信号传递、服务调用），将应用程序与硬件隔离。
• 基本软件层 (BSW)：
  • 标准化服务模块，包括：
    • 服务层：诊断、内存管理。
    • ECU 抽象层：统一访问传感器/执行器。
    • MCAL：用于 ADC、CAN 等的底层硬件驱动程序。

微控制器抽象层 (MCAL) 是 AUTOSAR 标准中定义的 BSW（基本软件层）的核心组件。其主要目的是对硬件操作进行抽象，为上层软件层（应用层，ECU 抽象层）访问硬件提供统一的接口，从而屏蔽不同微控制器 (MCU) 之间的差异。

MCAL 的核心功能如下所示：

• 硬件驱动程序封装：
• 标准化驱动器（ADC、PWM、CAN、SPI、GPIO）直接与 MCU 寄存器交互，但向上层提供统一的 API。
• 硬件独立性：
• 切换 MCU 只需要修改 MCAL 层，而上部应用逻辑保持不变。
• 实时性能和安全性：
• 确保硬件操作的时序可靠性，并支持 ISO 26262 功能安全要求（故障检测、冗余检查）。

安全库包含用于实时硬件故障检测和安全响应的预集成软件模块。安全库通常集成在 AUTOSAR 项目中。同时，客户可以在自己的项目中独立使用安全库，从而满足自定义的功能安全要求。

AEC-Q100 标准

AEC-Q100 标准由汽车电子委员会制定，定义了集成电路 (IC) 的可靠性认证，以确保其在恶劣的汽车环境中的长期稳定性。0 级和 1 级是 AEC-Q100 标准下的两个关键温度等级，主要在工作温度范围、应用场景和测试严格度方面有所不同。下面是详细的比较：

下面是在不同的要求下，0 级和 1 级的常见应用场景。

• 0 级应用
  • 动力总成系统：燃油喷射控制、电机驱动器（电动助力转向）。
  • 高温传感器：废气温度传感器、涡轮增压器压力传感器。
  • 高性能芯片：功率 MOSFET、IGBT 驱动器
• 1 级应用
  • 车身电子装置：车窗升降器、座椅调节器、照明控制。
  • 信息娱乐系统：导航、语音识别、显示屏驱动程序。
  • 低功耗模块：胎压监测系统 (TPMS)、无钥匙进入/无钥匙启动 (PEPS)。