德国半导体工业上的明珠“英飞凌”-内核篇

上文我们回顾了欧洲车规芯片大厂恩智浦和飞思卡尔（原摩托罗拉半导体部门）在整合后丰富的产品矩阵，其实恩智浦在车规行业真正的崛起也正是依托于清晰的战略定位和精确的产品风向的捕捉。而今天我要跟大家讲述的大佬--英飞凌（Infineon）的前身则是大名鼎鼎的西门子半导体，直到1999年英飞凌半导体才正式独立。他的崛起主要是得益于德国闻名于世又赖以生存的汽车支柱产业。它选择高可靠功率电子的赛道切入，并创造性地研发出高可靠性的集成功率模块IPM，同时有自研Aurix CPU架构，使得多核锁步，安全监控等MCU的新概念深入人心。如今的英飞凌在开发生态链的支持上更加多样，产业链的垂直整合度也逐步完善，兼具护城河和技术高垒的英飞凌在中国市场更加如鱼得水。在这次疫情引发的车规芯片断供潮中，英飞凌的32位MCU SAK TC2XX&TC3XX系列在黑市上曾经爆炒到6000元以上离谱的价格，今天我们深入走进这家大厂，深入浅出地介绍一下他们家的明星产品，管中窥豹，揭秘这个潘多拉魔盒的力量所在。

放眼全球的汽车电子产品，其实英飞凌一直都属于相对比较中规中矩，性能上也没有友商那么激进，在功能和安全的平衡上做到在保障安全的前提下性能适当留有裕量。工具链上由于天然的德国制造的优势，所以对Vector，ETAS，EB等本土企业的操作系统有着很好的配合度，加上本土强势Tier1，如博世，大陆，西门子等的长期合作伙伴关系，导致英飞凌的芯片系列在全球各地的应用范围非常广，而且早在新能源汽车兴起之前，它就活跃在燃油动力地豪华车系里，导致很多公司都深度倚赖他家地产品并且在研发过程中没有太多的话语权。而其中的明星产品就是他家的AurixTricore32位MCU系列。

翻开它相对冗长的家族产品介绍，可以发现英飞凌的微控制器系列，最早采用ARM-Cortex-M系列内核，并且在这基础上演化出了Embedded Power ICs,XMC1000,XMC4000三代产品，但是可能是由于早期的Arm内核对实时控制的优化还没有做到炉火纯青，也可能是Tricore的成熟度已经可以媲美甚至超越ARM，总之在TC2X系列开始，Tricore开始逐渐走入大家的视野。其实Tricore系列内核最早脱胎于AUDO(automotive unified processor)，主要经历了六代MCU的迭代变迁，才逐步孵化出了当下市场主流应用范围较广的TC2X和TC3X系列，而且很快TC4X系列也即将问世。

而Tricore架构的历史更是可以追溯到西门子半导体时期，早在8位和16位MCU上，Tricore的概念已经被植入，直到32位机上，Tricore才完全释放出了架构上的性能优势，并且逐步发展演化至现在的TricoreV1.6.2P系列架构，据悉最新的TC4X系列CPU将使用V1.8.2的最新Tricore架构。

其实Tricore之所以这么叫不是因为芯片中有三个内核，而是MCU每个内核都兼备了MCU，DSP和RISC三种不同CPU架构的特点；也就是实现real time控制的同时，兼备进行快速的数字信号处理的能力，并且采用了精简指令集的架构，功耗更小，指令操作速度更快。

TC-2X Tricore系列

仔细翻开TC2X家族系列的产品簇，可以观察到TC21X-TC23X系列手册上“Lockstep Core（锁步核）”的字眼赫然醒目，这种冗余的内核设计意在运行程序时，可以将相同的指令放到两个相同的内核中，并实时对比两个内核的输出，通过周期性的比较程序执行结果，发现潜在内核故障，锁步的机制长应用在工业控制和汽车电子，飞行装置等对安全要求较高的领域。但是问题是这样的锁步设计常常使软件开发受到钳制，无法在单一芯片上将多任务，多系统进行有效的隔离，换言之，无法在两个core上跑不一样的程序，浪费了CPU的资源；基于这样的考虑，TC26X系列将两个锁步核没有强行设置成锁步模式，可以由用户自由配置是工作在lockstep还是dual core模式，解放了内核的生产力。进一步的，在TC27X系列中，英飞凌将内核扩展成三核模式，既保留了双核锁步的安全支撑，又将第三个内核让出来处理一些优先级或者的调度周期要求不高的任务；可以看到主频从133Mhz-300Mhz范围可选，内置Flash也从512kB最高可扩展到8MB，虽然和目前高算力芯片的计算性能不可同日而语，但是放在绝大多数算力要求不高实时性较强的场景下可谓量身定制。

如果仔细观察Tricore的内核架构，每个Core都有自己的内置SRAM单元，还有分别用于存放数据(DSPR)和指令(PSPR)。而每个内核又都拥有独立的缓存单元，Pcache和Dcache的模式使能情况下，可以将一些常用的数据堆栈存放在Cache中，CPU可以更快速的存取计算。同时支持核间的内存访问，通过SRI(system resource interface)接口可以跨总从而读取存放在另一个CPU内存地址空间的数据。

目前很多市面上在售的ECU，PCU, BMS，VCU等多数车身域，底盘域，动力域控制器都采用了TC2X系列的芯片。越是广泛的应用越是证明英飞凌Aurix系列的安全可靠，但诚如之前所说，目前TC2X系列已经走到了壮士暮年的阶段，不管是内外存还是主频已经和许多当下智能汽车的应用无法匹配，所以TC3X系列就肩负起了TC2X“平替”的历史使命。

TC-3XTricore系列

如果说CPU算力在TC2X这一代还只是D档起步的话，最多支持6核（可两两锁步）的Tricore则直接让TC3X系列上了高速。在某些安全要求等级非常高的如自动驾驶等场景下，三对锁步核可以作为自动驾驶主芯片的辅助，用于处理实时计算，路径规划和底盘控制等安全要求相对较高的任务，所以TC3X系列除了上述的典型应用外，也往往以异构芯片的角色出现在各大新势力造车企业的自动驾驶域控或中央计算单元的解决方案中；

从上表中可以得到除了TC32X和33X以外的全系标配一对或以上锁步核，单个core可以提供1000DMIPS的算力，对比TC2XX系列700DMIPS左右的性能又提升了将近40%。这些冗余的算力可以更好的服务于多外设的间数据交换，例如CANFD, 千兆以太等区域网关的应用。也可以以片区为单位从内外部Flash,DDR等内存单元中快速地搬运和读取指令数据，例如SOTA这样的在线升级应用。在内核频率上除了TC32X和TC33X系列，全系支持300Mhz的工作主频。同时TC3X系列更加强调性能和功耗的平衡，全系内置SCR(standby controller)和SCU(system controll unit)模块，负责系统上下电时的模式管理和能耗控制，可以由用户自己定义来控制内核的开启和关闭，亦或是某个较低的工作频率（XTAL 24M）。总之TC3X系列的内核升级有亮点，但是并没有主频等性能上质的飞跃。

不过据悉新一代TC4X内核处理器，最高主频将升级到500Mhz,并且集成PPU协处理器。PPU协处理器可以实现矩阵运算加速，以及基于神经网络算法以及其他一些高速控制等应用，可以被应用于建模，模型预测和防入侵检测等信息安全的算法和架构中。因为PPU的存在，使得在TC3X系列上的对称及非对称的多任务处理机制得到了升级，他可被用来加速软件堆栈并且协调跨内核跨系统之间的服务。而TC4X的单颗Tricore算力也将突破1200DMIPS,并且PPU协处理器可以提供72GFLOPS的浮点运算能力。另外值得一提的是，在TC3X和TC4X系列上，针对内核中的存储区域，可以通过MPU(MemoryProtectionUnit)单元进行访问权限的设置(通过设置内核在SRI总线上的Master ID)，未经授权的内核ID无法访问到超出权限的地址空间，这样的硬件隔离措施可以防止多操作系统在运行任务的过程中的一些异常访问的行为而导致的系统崩溃。除此之外TC3X和TC4X系列的内核都配有独立内置Flash，可以在SOTA等在线软件升级应用中，通过A/Bbank分区的形式将主程序和升级软件同时下载到内核Flash中，并通过内部总线加载到SRAM中运行，可以实现不停车即实现软件升级的无感切换。

写在最后:

英飞凌凭借强大的安全内核以及自研架构，在车规MCU市场可谓风光无量，但是随着当下缺芯潮的持续蔓延，各大OEM和供应商也慢慢开始对欧洲大厂的供货模式，服务质量产生越来越多的质疑。换言之，当下国产车规芯片的兴起,也许在短期内对英飞凌等大厂还没有潜在的威胁，但值得引起足够的态度上的重视。打铁还需自身硬，期待英飞凌的持续科研投入和TC4X系列问世可以再续Tricore的辉煌。

审核编辑 ：李倩