March_Automotive MCU｜Automotive MCU Market and Technology Analysis(Next)

Published On: 2023/03/04|Categories: 科技(Technology)|

vehicularMCUTechnical Trend Analysis

With the trend of electrification and intelligentization, automobile functions are becoming more and more complex, resulting in the increasing use of electronic control units, which in turn leads to a huge increase in the amount of data and makes it impossible for traditional communication methods to meet the demand for real-time transmission and processing. Therefore, a few car manufacturers take the lead in integrating and centralizing automotive functions by replacing electronic control units with a few domain control units (DCUs), then reducing the number of DCUs through cross-domain convergence, and finally being replaced by zone control units (ZCUs) to form a centralized centralized control framework, Bosch has divided the development blueprint of automotive electronics and electrical architecture into six phases: modularization, integration, domain centralization, cross-domain integration, vehicle integration, and vehicle cloud computing.

Modularization, where each electronic control unit is responsible for a single function, is the architecture used in most cars today.
Integration is the process of reducing the number of functions performed by a powerful electronic control unit to reduce costs.
Domain centralization is the integration of all electronic control units into five functional domains: power, chassis, body, intelligent cabin, and autonomous driving. Each dedicated domain control unit is connected via Ethernet and CANFD (Control Area Network with Flexible Data Rate). The power, chassis, and body domains only involve control instruction calculation and communication, and require less computing power, so 32-bit MCUs can be used, as listed in Table 2.

Table 2, Five Functional Domains Control Unit Features

Source : Gaijin Automotive Research Institute

CP AUTOSAR

跨域融合是進行多域整合，例如將動力、底盤、車身域合併為整車控制域，讓五個功能域可縮減成三個以降低成本，並改由跨域控制單元操控，例如:VW的MEB平台由車輛控制、智慧駕駛、資訊娛樂等三個應用伺服器組成，BMW的iNEXT車型由車身域控制器、自動駕駛系統、多媒體圖形單元組成。
整車融合是形成中央+區域的架構。隨著功能域深度融合後轉換成位置區，由區控制單元負責該區域內的感測器資料初步計算和處理、網路通訊協定轉換等工作。多個車載中央處理器(VCC)組成計算平台，提供整車所需的訊息處理、存儲、傳輸和管理能力。其具有減少線束用量、簡化裝配程序、節省安裝空間、系統更具彈性、更好的感測器資料融合、可持續OTA軟體升級等優點。Tesla的Model 3率先採用此架構，它由一個中央計算平台和前、左、右等三個車身控制器(Body Controller)組成，負責所屬區域設備的配電、邏輯控制和驅動。後續推出的Model Y取消前方車身控制器，其功能分散至右、左車身控制器。
整車雲計算是將部分功能轉移至雲端以簡化架構，並讓所有零組件標準化，最終實現軟體定義汽車(SDV)的境界，各種感測和執行器都能被軟體定義和控制。

圖2、汽車的電子電氣架構變化趨勢

資料來源 : Bosch

隨著汽車的電子電氣架構從分散式朝向集中式發展，會讓汽車電子供應商數量逐漸減少，並提高汽車電子組件標準化程度，進而讓車廠擁有更大整車系統開發主導權。在此趨勢下預期電子控制單元使用量將縮減且功能弱化，進而降低車用MCU需求量，然而因為須搭載性能更強大的MCU，如圖3所示，有助於帶動平均單價增加，可使車用MCU銷售額成長。另外此趨勢將引發三大新商機，其一是創造車用高性能處理器與AI晶片的需求，目前推出自動駕駛用晶片有NVidia的Xavier與Orin、Mobileye的EyeQ4與EyeQ5H、Qualcomm的Snapdragon Ride，推出的智慧座艙用晶片有Qualcomm的8155與820A、NVidia的Tegra、Intel的Atom3950、AMD的NAVI23、Renesas的R-CAR H3。車廠除了外購亦可能採取自行研發或與IC設計商合作開發高性能運算晶片，達到產品差異化以提高市場競爭力；其二是車用軟體日趨重要，車廠會投入大量的人力從事軟體開發工作或讓軟體供應商參與其中，例如全球已有25個以上車型採用搭載TTTech Auto的MotionWise平台，這些軟體商勢必和Tier1的汽車電子系統整合商形成競爭局面，促使Bosch、Continental、Denso等指標大廠都紛紛推出自家軟體平台以供車廠選用。其三是商機龐大的域控制單元吸引更多廠商投入。除了如Tesla等少數指標車廠有能力自行研發域控制單元，中小型車廠會選擇與本土系統整合商、國外晶片大廠共同開發域控制單元，目前這種模式盛行於車廠眾多的中國，如Nvidia與德賽西威合作為14家車廠開發智慧座艙、自動駕駛用域控制單元。

圖3、汽車的電子電氣架構變化趨勢對MCU需求之影響

資料來源 : Horizon Robotics

重要MCU廠商發展動向分析

MCU市場由歐、美、日大廠主導，2021年全球前五大廠商為NXP、Microchip、Renesas、STMicroelectronics、Infineon，各廠商發展狀況說明如下 :

NXP成立於2006年，前身為Philips的半導體事業部，產品主要用於汽車電子、工業控制、智慧城市，智慧家庭、穿戴式裝置等領域。2015年收購Freescale以積極佈局汽車市場，2022上半年營收約50%來自車用產品。除了在美國Texas的晶圓廠生產外，採用16nm、28nm、90nm等製程的MCU都交由晶圓代工廠製造。
Microchip成立於1989年，產品主要用於數據處理、智慧城市、智慧製造、智慧醫療、汽車電子等領域，2022上半年營收約有57%來自車用產品。2015年收購Atmel以強化32位元MCU產品競爭力。除了在美國Arizona、Oregon的晶圓廠生產外，採用40/45nm、65nm等製程的MCU都交由晶圓代工廠製造。
Renesas成立於2003年，係由Hitachi和Mitsubishi Electric的半導體部門合併而成，產品主要用於汽車電子、工業控制、通信等領域，2022上半年營收約44%來自車用產品。2021、2022年相繼收購Dialog與Reality AI，後者強項在於感測器數據解析和學習用內嵌式AI技術，收購案可強化AIoT、汽用產品的競爭力。除了在日本茨城縣的晶圓廠生產外，大部分MCU都交由晶圓代工廠製造，涵蓋28nm、40/45nm、55/65nm、90nm、110/130nm等製程。
STMicroelectronics成立於1987年，產品主要用於汽車電子，資通訊，消費電子、工業控制等領域，2022上半年營收約35%來自車用產品。除了在法國Crolles和Rousset的晶圓廠生產外，採用28nm、40/45nm等製程的MCU都交由晶圓代工廠製造。
Infineon成立於1999年，前身為Siemens的半導體部門，產品主要用於汽車電子、工業控制、保全防護等領域，2022上半年營收約有44%來自車用產品。2016年收購Innoluce以取得自動駕駛用感測器和光達系統技術，2019年併購Cypress後顯著提高MCU產品的市占率。除了在美國、荷蘭與新加坡的晶圓廠生產外，採用40/45nm、65nm、90nm、110/130nm等製程的MCU都交由晶圓代工廠製造。

目前台灣MCU廠商主要有新唐、盛群、松翰等公司，其中僅新唐因為於2020年收購日本Panasonic半導體事業部而跨入車用MCU市場，並讓產品組合從電腦應用轉換為工業控制和汽車電子為主，2022上半年營收約36%來自車用產品。2022年推出通過ACE-Q100認證的M0A23系列之32位元MCU產品。

結論

綜前所述，為了降低成本、減少組裝複雜度與達到軟體定義汽車，中央集中控制已成為汽車電子電氣架構的未來發展趨勢，不過在安全至上的考量下，車廠通常採取循序漸進的技術變革，短期內應該會先導入域控制技術，屆時車用MCU需求偏向量少、高性能產品，於是32位元MCU成為指標大廠開發重點，主要用於動力、底盤與車身等功能域。由於國外MCU指標大廠深具車用MCU開發經驗且產品深獲車廠信賴，導致其他廠商難以切入，故預期該市場仍由特定國外大廠所掌握，產業生態難有顯著改變。