當人們享受以車代步的便利生活之余，汽車無形中也成為人類健康的“隱形殺手”。由于汽車發動機燃燒汽油而向外排放的尾氣中含有大量的一氧化碳、碳氫化合物、氮氧化合物、細微顆粒物以及硫化物等污染物，這些有害氣體擴散到空氣中直接污染城市環境危害人類健康，還會進一步擴散到大氣中經過化學反應生成二次污染物，對環境造成更不利的影響。近年來，隨著生態環境的惡化，各國政府逐步重視汽車尾氣排放的污染問題，半導體廠商也致力于開發新的節能技術及產品。 電子系統擔綱汽車節能臺柱 汽車制造商發現半導體在提高燃油經濟、減少排放、提高安全和保持最低總成本方面起到非常重要的作用。半導體首先在發動機方面發揮高精度控制的優勢，發動機約占整車15%的成本，電子控制燃油噴射系統約占發動機成本的1/5，電子器件對汽車性能起到重要的支撐作用。 機械式噴油泵技術因燃燒汽油不完全而被市場淘汰，電控燃油噴射系統可有效改善燃油效率已全面取代機械式燃油泵的市場地位。飛思卡爾半導體大中國區業務拓展總監殷鋼認為，“最新的電子動力系統控制技術已經證明可以幫助降低排放量、提高燃油效率并將更多引擎動力傳輸到路面，使新車輛更加經濟，并保護環境。”他還用具體數字比較了傳統發動機和采用電子燃油噴射系統發動機的節能效率。傳統的兩沖程發動機中，30～40%的燃油沒有燃燒就直接排放到廢氣中。而采用電子燃油噴射的車輛可以減少大約75%的一氧化碳排放和大約90%的碳氫化物排放，并且可以減少35%燃油使用量。 為滿足汽車舒適安全的訴求，符合日益嚴苛的汽車排放標準，汽車上的電子系統越來越復雜，依賴更多的電子控制單元（ECU）實現管理功能。因此，ECU的核心器件MCU的需求量也水漲船高，高功能和可快速執行大型程序的高性能MCU在汽車上的搭載數量從過去的個位數攀升至如今的兩位數。市場調研機構Gartner預測，全球車用MCU市場規模將從2008年的53億美元迅速增長到2012年63億美元的水平。該機構指出，車用MCU市場50%的收入源自節能環保汽車的相關需求。 節能議題抬升車用MCU性能指標 隨著汽車工業向環保和節能的方向發展，在節能議題的前提下，間接對MCU的性能上有了更多細分的需求。英飛凌科技（中國）有限公司汽車電子業務部總監劉魯偉分析MCU的性能將朝高運算力、低能耗以及安全可靠方面繼續提升。MCU控制任務加重之后，相應的運算能力隨之提高，單純提高芯片的工作頻率已經不能滿足這一需求，所以今后將進入雙核甚至多核；其次，汽車搭載MCU為節省能源消耗，因而引入更多的MCU并不能加重系統能源的負擔，MCU節能的指標就是每瓦功率能實現的運算能力；由于汽車系統復雜度大大增加之后，片內閃存和RAM的需求在不斷增加，預計帶有RAM和閃存的MCU在車載領域進一步擴大應用比例；另外由于系統復雜度的提升，MCU數量大為增加之后，對于芯片的安全性、可靠性和保密性都有很高要求。 Atmel ASIC和ARM基礎微控制器傳訊經理Peter Bishop觀察到，汽車行業通過采用電子控制單元（ECU）管理內燃機的運作方式，來最大限度地減少燃料消耗。但是主要挑戰在于車輛系統日益復雜而MCU在滿足系統性能的同時，必須自身能耗最小化。此外，車用MCU的品質、性能需要跟隨汽車網絡新興標準的同步演進，符合車用電子產品的規格。 車輛電子控制需求的增加將大大促進輸入輸出端口、存儲和計算的能力提升以滿足動力總成、安全、底盤等復雜子系統的控制，車輛電子化控制的趨勢將進一步刺激32位MCU在汽車領域的應用。根據上述趨勢，偉世通亞太區電子產品研發總監Matt Cole預測，“汽車電子將繼續朝高集成度方向發展，因為汽車需要的ECU越來越多，集成化是降低價格和復雜度的唯一途徑。”當更多的功能集成化之后，低端的ECU和MCU的使用率將大幅下滑，而功能強大的ECU和MCU將獲得市場青睞并廣泛應用。偉士通現已觀察到底盤和車輛控制方面出現集成化的趨勢。 毋庸置疑，MCU在能源節省中所扮演的重要角色。當系統功能膨脹化帶動MCU使用數量增加，接踵而至的是功耗、板級面積等問題，汽車制造商正在全力進行系統集成，力爭減少ECU的數量以降低成本，一般的策略是增加ECU的功能，因此就需要采用32位的MCU集中處理運算任務。 各國相繼推出汽車排放標準，提高發動機燃燒效率、減少排放對于動力系統提出更高的要求，排放標準的實施從另一側面幫助32位MCU主導汽車市場。 “隨著日趨嚴格的排放標準實施，更多32位處理器被應用到動力總成系統領域。”劉魯偉評價排放標準對車用MCU的影響時說到，“從現實意義上說，反觀歐洲北美甚至鄰國日本，現行新車80%左右已經采用32位系統，在中國，只是由于生產的慣性和廠家產品線的延續性還保留在16位平臺，但32位MCU一定是未來5年的大趨勢。” 汽車是一個復雜的系統，除了降低動力引擎部分帶來的能耗，還可借助間接手段輔助汽車系統降低能源消耗。劉魯偉強調，在汽車節能中，單單依靠MCU性能的提升是遠遠不夠的，還需要考慮更多排放控制策略，例如直噴發動機稀薄燃燒等，這些都還需要從外部功率部件，甚至執行器件入手做更多細致的工作。歸根結底就是開源節流，節能可以從簡單的細節開始，比如水泵/風扇/發電機的PWM控制甚至按需配置功率等，都能系統性的減少能源消耗。 他特別指出，電子系統節能初期成本必然“欲揚先抑”，會增加系統的開支，但長遠來看添加電子元件的成本在未來的節能中輕而易舉就可收回成本。節能先期需以成本為代價換取，類似的例子在汽車電子領域并不罕見。例如改變現有的油泵繼電器為單獨驅動，成本可能增加15～20歐元，但是能減少80W電力消耗，換算成用戶的燃油一年就能收回成本。以水泵為例，水泵現在大多是發動機皮帶直接帶動，如果通過三相無刷電機來驅動，整體成本增加大約55歐元，但是能給整車減少300瓦電力消耗，行駛12,000公里約半年就能收回成本。熱門的EPS（電動助力轉向）能減少250瓦消耗，行駛15,000公里就能收回成本。 “間接節能的方式還包括可編程速度限制和板載導航系統，能夠節省因迷路所浪費的能源。”Bishop補充道。 混合動力車只是過渡方案？ 面對日益高漲的原油價格，汽車制造商試圖尋求新的解決方式，混合動力車市場正在逐步興起。混合和燃料電池車輛對電源半導體和額外計算性能有特殊的電子需求，以操作指定性能范圍內的電動機，提供最大效率。殷剛指出，混合動力車以極少的散熱來切換超高電流的需求將促進半導體公司迅速生產更強大、更快速甚至更智能的半導體。這些半導體可在保護設備和負荷的同時，處理日益增強的電流。此外，根據預測，這些相同的電源設備將能檢測故障條件，并通知潛在問題的主要微控制器。 Atmel則對混合動力車的前景持不同看法，Bishop認為，“從中期來看，混合動力車輛是向全電動車輛轉變的一個中間解決方案。”混合動力車同時裝有汽油動力發動機和電動發動機兩套系統，在啟動、加速、剎車等過程中協調運作，可減少尾氣排放節省油耗，但兩套系統對汽車成本的增加，市場接受度仍待考察。 相比之下，Cole對混合動力車的前景較為樂觀，“只要油價居高不下的情況一天不改善，未來消費者將傾向于選購經濟節能的汽車。此外，政府頒布的法規將堅定這樣的選購意愿。”他認為制約混合動力汽車發展的價格因素在稅收優惠的支持下，伴隨OEM生產能力的提高以及混合技術成本的下降，混合動力車的能源節省經濟效應終將沖破價格的羈絆。