為了滿足用戶對舒適度、安全性和自動駕駛功能的需求，車載ECU（電子控制單元）的數(shù)量不斷增加。然而ECU數(shù)量的增加也給汽車制造商帶來了更多挑戰(zhàn)。因此，全球大多數(shù)汽車制造商正在從傳統(tǒng)的分布式 ECU 架構(gòu)過渡到基于域或區(qū)域的 ECU 架構(gòu)。

在分布式的架構(gòu)中，所有的功能緊密交互，難以管理系統(tǒng)的復(fù)雜性和實時性，域控架構(gòu)目的是將分散的控制鏈路，整合到單個大型ECU中（如圖1所示）。例如將在新能源車上，將整車控制器、電池管理系統(tǒng)、電機控制器整合至一個控制器中。

圖1 域控架構(gòu)

區(qū)域（Zonal）架構(gòu)是將來自多個域的多個ECU 進行整合，并減少整車線束的數(shù)量（如圖2所示），線束數(shù)量的減少有望降低車輛的重量和線束的復(fù)雜性，重量的降低可以提升純電車型的續(xù)航里程。對于車輛中眾多的ECU，可以根據(jù)實際情況，選擇使用域架構(gòu)還是區(qū)域架構(gòu)，充分利用兩種架構(gòu)的優(yōu)勢。

圖2 區(qū)域架構(gòu)

區(qū)域和域架構(gòu)都支持硬件和軟件生命周期的分離。兩者都允許汽車制造商在不更改組件的情況下更新和升級車輛軟件。這些新架構(gòu)還支持軟件定義汽車概念，可以在最短的時間內(nèi)推出新的功能和車型。

內(nèi)存需求的變化

首先，與傳統(tǒng)分布式架構(gòu)中使用的MCU相比，域和區(qū)域架構(gòu)需要提供更高計算能力的 MCU。當(dāng)前域架構(gòu)中需要主頻為400MHz的多核實時MCU。符合這種條件的MCU有的具有多達6個Arm Cortex-R52 內(nèi)核或者Tricore內(nèi)核，其中多達 4 個內(nèi)核以鎖步配置運行，以執(zhí)行實時錯誤檢查。

盡管 MCU 內(nèi)核和工作頻率是系統(tǒng)架構(gòu)師常用的參考規(guī)格，但非易失性存儲器 （NVM） 也對整體系統(tǒng)性能和成本產(chǎn)生重大影響。盡管如此，NVM的規(guī)格是最容易被忽視的。例如，兩個具有相同內(nèi)核和工作頻率的 MCU 在計算性能、功耗以及可靠性方面可能會因其使用的NVM類型和讀寫速度而存在顯著差異。NVM類型和NVM讀寫速度也會影響 MCU 的固件升級能力。

新架構(gòu)中的NVM限制

通常在計算系統(tǒng)中，NVM用于存儲代碼和數(shù)據(jù)。大多數(shù)通用 MCU使用的是Flash，其類型通常是浮柵或某種CT（charge-trap） NOR Flash。這些NVM中的大多數(shù)的讀寫速度都非常慢，甚至支持的最大頻率低于20 MHz。

對于 400MHz的CPU搭配25MHz的NVM，內(nèi)存需要大約 15 個等待狀態(tài)。因此，即使 CPU 以 400 MHz 運行，在 CPU 執(zhí)行指令之前，需要 15 個周期才能從內(nèi)存中獲取指令。MCU 使用緩存來最小化這些等待狀態(tài)，但是緩存也是通過一套算法來預(yù)測下一條執(zhí)行的指令，當(dāng)預(yù)測失效時，還是需要臨時從內(nèi)存中獲取，這種等待還是在所難免。

雖然隨著技術(shù)的創(chuàng)新，NOR Flash的讀寫速度有明顯提高，在技術(shù)工藝上，當(dāng)前普遍是40nm，也有一些28nm，但是由于在非常復(fù)雜的high-k金屬柵極前端技術(shù)中集成這些存儲單元的困難，成本顯著增加。

大部分區(qū)域控制器選擇的MCU都是28nm制程的，這樣可以最大限度的提高集成度，并且允許支持超大型應(yīng)用程序所需的大容量NVM，最大可能需要20MB，但是由于OTA需要AB分區(qū)策略，這樣就需要MCU的NVM最大可達40MB。

對于這種情況，一些區(qū)域 MCU要么沒有NVM，采用外掛形式，要么作為雙芯片系統(tǒng)級封裝 （SIP） 出售。這些 MCU 通常具有較大的 RAM ，可以將代碼放入RAM中執(zhí)行，盡管此解決方案提供的計算性能比嵌入式閃存稍好，但基于區(qū)域和域的應(yīng)用程序存在一些缺點。

首先MCU 在啟動時需要加載 RAM 內(nèi)容所需的啟動時間較長。盡管信息娛樂系統(tǒng)在車輛啟動時需要一點時間來啟動是可以的，但延長啟動時間對于管理車門控制、轉(zhuǎn)向控制、照明和其他關(guān)鍵功能的域和區(qū)域來說是不可接受的，當(dāng)前主機廠大部分要求是MCU必須在200ms左右完成啟動，這種加載到RAM執(zhí)行是做不到的。另外RAM 的另一個缺點是它比 NVM的功耗更高。

另一個需要考慮的問題是系統(tǒng)成本。在MCU中放置一個大RAM來運行應(yīng)用程序代碼將比嵌入式NVM更昂貴。然后，無論外部NVM是作為SIP集成在包本身中，還是掛載在板上，它都會增加成本，使系統(tǒng)成本更高。

在系統(tǒng)中，與 NVM 相比，RAM 具有更高的位翻轉(zhuǎn)率——通常是由于輻射，通常稱為軟錯誤率 （SER）。這會影響系統(tǒng)的可靠性。為了支持最高級別的可靠性，用于汽車應(yīng)用的最新 MCU 支持端到端糾錯碼（ECC）。外部 NVM 不支持端到端 ECC，這會導(dǎo)致可靠性降低，需要針對性采用額外的技術(shù)手段。

PCM在區(qū)域和域架構(gòu)中的優(yōu)點

ePMC（Embedded phase change memory，嵌入式相變存儲區(qū)）的內(nèi)部橫截面圖如圖3所示。ePCM存儲元件的集成比28 n制程的NVM在汽車應(yīng)用中使用的雙多晶硅閃存單元便宜得多。此外，ePCM 的集成完全不會干擾復(fù)雜的高 k 金屬柵晶體管結(jié)構(gòu)。

圖3 相變存儲器 （PCM） 單元結(jié)構(gòu)

另外與NVM不同，ePCM 中的寫入操作不需要高電壓。因此，ePCM可以與標(biāo)準(zhǔn)晶體管一起工作，而閃存需要專用的高壓晶體管來管理。所有這些因素都會影響可制造性和成本。

與 NOR 或 NAND 閃存不同，PCM 的工作原理是基于鍺銻碲 （GST） 合金的電阻率變化。這種合金根據(jù)快速的溫度變化改變電阻率，而電阻率決定了位狀態(tài)。圖 4顯示了如何在 PCM 中設(shè)置或重置位。

圖4 PCM寫入過程如何進行位變換

因此，與NOR 閃存相比，ePCM 支持快速讀寫訪問。寫入時間的顯著減少是因為 ePCM 在寫入之前不需要擦除操作。此功能還大大縮短了大型存儲區(qū)和域 MCU 的工廠編程時間，從而降低了制造成本。

此外，ePCM 還提供與NVM相媲美的可靠性和耐用性優(yōu)勢。同時，ePCM允許模擬真正的 EEPROM 的單個bit的可更改性。這顯著減少了系統(tǒng)寫入時間。此外，由于它只對目標(biāo)位進行操作，因此單位寫入不會影響相鄰存儲單元的壽命。