基于域或区域的 ECU 架构

为了满足用户对舒适度、安全性和自动驾驶功能的需求，车载ECU（电子控制单元）的数量不断增加。然而ECU数量的增加也给汽车制造商带来了更多挑战。因此，全球大多数汽车制造商正在从传统的分布式 ECU 架构过渡到基于域或区域的 ECU 架构。

在分布式的架构中，所有的功能紧密交互，难以管理系统的复杂性和实时性，域控架构目的是将分散的控制链路，整合到单个大型ECU中（如图1所示）。例如将在新能源车上，将整车控制器、电池管理系统、电机控制器整合至一个控制器中。

图1 域控架构

区域（Zonal）架构是将来自多个域的多个ECU 进行整合，并减少整车线束的数量（如图2所示），线束数量的减少有望降低车辆的重量和线束的复杂性，重量的降低可以提升纯电车型的续航里程。对于车辆中众多的ECU，可以根据实际情况，选择使用域架构还是区域架构，充分利用两种架构的优势。

图2 区域架构

区域和域架构都支持硬件和软件生命周期的分离。两者都允许汽车制造商在不更改组件的情况下更新和升级车辆软件。这些新架构还支持软件定义汽车概念，可以在最短的时间内推出新的功能和车型。

内存需求的变化

首先，与传统分布式架构中使用的MCU相比，域和区域架构需要提供更高计算能力的 MCU。当前域架构中需要主频为400MHz的多核实时MCU。符合这种条件的MCU有的具有多达6个Arm Cortex-R52 内核或者Tricore内核，其中多达 4 个内核以锁步配置运行，以执行实时错误检查。

尽管 MCU 内核和工作频率是系统架构师常用的参考规格，但非易失性存储器 （NVM） 也对整体系统性能和成本产生重大影响。尽管如此，NVM的规格是最容易被忽视的。例如，两个具有相同内核和工作频率的 MCU 在计算性能、功耗以及可靠性方面可能会因其使用的NVM类型和读写速度而存在显著差异。NVM类型和NVM读写速度也会影响 MCU 的固件升级能力。

新架构中的NVM限制

通常在计算系统中，NVM用于存储代码和数据。大多数通用 MCU使用的是Flash，其类型通常是浮栅或某种CT（charge-trap） NOR Flash。这些NVM中的大多数的读写速度都非常慢，甚至支持的最大频率低于20 MHz。

对于 400MHz的CPU搭配25MHz的NVM，内存需要大约 15 个等待状态。因此，即使 CPU 以 400 MHz 运行，在 CPU 执行指令之前，需要 15 个周期才能从内存中获取指令。MCU 使用缓存来最小化这些等待状态，但是缓存也是通过一套算法来预测下一条执行的指令，当预测失效时，还是需要临时从内存中获取，这种等待还是在所难免。

虽然随着技术的创新，NOR Flash的读写速度有明显提高，在技术工艺上，当前普遍是40nm，也有一些28nm，但是由于在非常复杂的high-k金属栅极前端技术中集成这些存储单元的困难，成本显著增加。

大部分区域控制器选择的MCU都是28nm制程的，这样可以最大限度的提高集成度，并且允许支持超大型应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分区策略，这样就需要MCU的NVM最大可达40MB。

对于这种情况，一些区域 MCU要么没有NVM，采用外挂形式，要么作为双芯片系统级封装 （SIP） 出售。这些 MCU 通常具有较大的 RAM ，可以将代码放入RAM中执行，尽管此解决方案提供的计算性能比嵌入式闪存稍好，但基于区域和域的应用程序存在一些缺点。

首先MCU 在启动时需要加载 RAM 内容所需的启动时间较长。尽管信息娱乐系统在车辆启动时需要一点时间来启动是可以的，但延长启动时间对于管理车门控制、转向控制、照明和其他关键功能的域和区域来说是不可接受的，当前主机厂大部分要求是MCU必须在200ms左右完成启动，这种加载到RAM执行是做不到的。另外RAM 的另一个缺点是它比 NVM的功耗更高。

另一个需要考虑的问题是系统成本。在MCU中放置一个大RAM来运行应用程序代码将比嵌入式NVM更昂贵。然后，无论外部NVM是作为SIP集成在包本身中，还是挂载在板上，它都会增加成本，使系统成本更高。

在系统中，与 NVM 相比，RAM 具有更高的位翻转率——通常是由于辐射，通常称为软错误率 （SER）。这会影响系统的可靠性。为了支持最高级别的可靠性，用于汽车应用的最新 MCU 支持端到端纠错码（ECC）。外部 NVM 不支持端到端 ECC，这会导致可靠性降低，需要针对性采用额外的技术手段。

PCM在区域和域架构中的优点

ePMC（Embedded phase change memory，嵌入式相变存储区）的内部横截面图如图3所示。ePCM存储元件的集成比28 n制程的NVM在汽车应用中使用的双多晶硅闪存单元便宜得多。此外，ePCM 的集成完全不会干扰复杂的高 k 金属栅晶体管结构。

图3 相变存储器 （PCM） 单元结构

另外与NVM不同，ePCM 中的写入操作不需要高电压。因此，ePCM可以与标准晶体管一起工作，而闪存需要专用的高压晶体管来管理。所有这些因素都会影响可制造性和成本。

与 NOR 或 NAND 闪存不同，PCM 的工作原理是基于锗锑碲 （GST） 合金的电阻率变化。这种合金根据快速的温度变化改变电阻率，而电阻率决定了位状态。图 4显示了如何在 PCM 中设置或重置位。

图4 PCM写入过程如何进行位变换

因此，与NOR 闪存相比，ePCM 支持快速读写访问。写入时间的显著减少是因为 ePCM 在写入之前不需要擦除操作。此功能还大大缩短了大型存储区和域 MCU 的工厂编程时间，从而降低了制造成本。

此外，ePCM 还提供与NVM相媲美的可靠性和耐用性优势。同时，ePCM允许模拟真正的 EEPROM 的单个bit的可更改性。这显著减少了系统写入时间。此外，由于它只对目标位进行操作，因此单位写入不会影响相邻存储单元的寿命。