Neue Aurix-TC3xx-Mikrocontroller Für den Einsatz im Fahrzeug und in der Industrie

AURIX-Mikrocontroller - die Evolution der Prozessor-Architektur  und ihr Know-How.
Die neue Generation der AURIX-Mikrocontroller eignet sich für sicherheitskritische Anwendungen in allen Industriebereichen.

Das Konzept der Aurix-Mikrocontrollerfamilie – mit Kompatibilität und Skalierbarkeit hinsichtlich Prozessorkern, Gehäuse, Sicherheit und Peripherie – ermöglicht einen einfachen Upgrade-Pfad.

Mit der 1999 vorgestellten Audo-Mikrocontrollerfamilie führte Infineon das 32-bit-TriCore-Konzept ein. Dank ihrer Echtzeitfähigkeit und den integrierten Safety/Security-Eigenschaften entwickelte sich die TriCore-Mikrocontrollerfamilie schnell zur idealen Plattform in vielfältigen Automobil-Applikationen. Die Erfolgsgeschichte wurde mit der Aurix-Familie TC2xx (65 nm) fortgeschrieben. Mit ihr erfolgte der Übergang auf eine Multicore-Architektur. Außerdem wurden viele weitere Sicherheits-Funktionen in Hinblick auf Datensicherheit (Security) als auch funktionale Sicherheit (Safety) implementiert. Aurix-Mikrocontroller ermöglichen Systeme bis ASIL-D/SIL3, und dank eines integrierten HSM (Hardware Security Module) werden die Mikrocontroller den Anforderungen der Gerätehersteller bezüglich Datensicherheit gerecht.

Die Aurix-Mikrocontrollerfamilie wurde anfänglich in Automobilen insbesondere im Bereich des Antriebsstranges sehr erfolgreich eingesetzt – einer sehr rauen Umgebung mit hohen Temperaturen und Vibrationen. Damit bewiesen die Mikrocontroller ihre Zuverlässigkeit und Qualität. Hinzu kam die hohe Echtzeitfähigkeit, die in Motorsteuerungen ebenfalls sehr wichtig ist. Gleichzeitig waren Aurix-Mikrocontroller aber von Beginn an darauf ausgerichtet, auch weitere Domänen zu adressieren – insbesondere im Bereich Safety. So werden sie beispielsweise im Chassis-Umfeld sehr erfolgreich eingesetzt, also in Anwendungen wie Bremse, Airbag, Lenkung, Federung etc.

Mittlerweile sind die Bausteine der neuesten Aurix-Generation TC3xx (40 nm mit Embedded Flash) in Produktion und bieten alle Zutaten für leistungsfähige und effiziente Schaltungen. So haben Entwickler die Möglichkeit aus einem breiten Sortiment mit unterschiedlichen Speichergrößen, Peripheriefunktionen, Taktfrequenzen, Temperatur- und Gehäuse-Optionen zu wählen. Damit können vielfältige Anwendungen in der Automobilelektronik, aber auch im Industriebereich adressiert werden, unterstützt von einer umfassenden Entwicklungsumgebung.

Die Multicore-Architektur der Aurix TC3xx-Familie (Bild 1) bringt gegenüber den TC2xx-Bausteinen nochmals einen wesentlichen Leistungsschub mit sich, bei einem hohen Grad an Kompatibilität mit der Vorgängergeneration. So enthält sie bis zu sechs unabhängig voneinander arbeitende 32-bit-TriCore-Prozessorkerne. Daneben stehen weiter verbesserte Funktionen für die Fahrzeugkommunikation, Datensicherheit und funktionale Sicherheit zur Verfügung.

Damit sind die TC3xx-Mikrocontroller neben den etablierten Aurix-Anwendungen nun auch für den Bereich ADAS/AD, also Fahrerassistenzsysteme und das automatisierte Fahren, prädestiniert. Zum Beispiel hat Infineon als Subsegment eigene Radar-Controller entwickelt. Auch für die Daten/Sensor-Fusion ist die TC3xx-Mikrocontrollerfamilie gerüstet: Bis zum Automatisierungs-Level 2 können die High-End-Mikrocontroller der zweiten Aurix-Generation die Daten der verschiedenen Sensoren zentral verarbeiten (Sensorfusion). Zudem eignen sie sich für den Einsatz in Domänen/Zonen-Steuergeräten – eine wichtige Voraussetzung für das automatisierte Fahrzeug und zukunftsfähige Fahrzeug-Netzwerkarchitekturen.

TC3xx-Mikrocontroller bieten die ideale Kombination aus Echtzeitfähigkeit, Datensicherheit und funktionaler Sicherheit für ISO-26262-Systemanforderungen bis hin zu ASIL-D/IEC 61508 bzw. SIL-3. Eine Zertifizierung der Aurix-TC3xx-Familie wurde durch den TÜV Saarland vorgenommen und kann bei der Steuergeräte-Zertifizierung genutzt werden. Das ermöglicht eine signifikante Aufwands- und Zeitersparnis. Die neue Aurix-Mikrocontroller-Generation ist auch ideal für sicherheitskritische Anwendungsbereiche außerhalb des Automobils wie z. B. im Transportwesen – in Lastkraftwagen, Landwirtschafts- und Nutzfahrzeugen, in der Luftfahrt, in Drohnen, Bussen, Zügen, in Transportanwendungen in der Fertigung, in Kränen, etc. – sowie für sicherheitskritische Antriebe und Wechselrichter in der Industrie geeignet – z.B. Solar-Wechselrichter, Robotik, Aufzüge.

Skalierbarer Prozessorkern

Die TC3xx-Mikrocontrollerfamilie ist in hohem Maße skalierbar (Bild 2). Es stehen Versionen mit einem Prozessorkern (160 MHz) bis hin zu sechs TriCore-Prozessorkernen (je 300 MHz) zu Verfügung. Die Mikrocontroller bieten von 1 MByte bis zu 16 MByte Embedded-Flash-Speicher und mehr als 6 MByte integrierten RAM. Vier der sechs TriCore-Kerne verfügen über einen zusätzlichen Lockstep-Kern. Das setzt neue Maßstäbe hinsichtlich der in einem IC integrierten Rechenleistung. Bis zu etwa 4000 DMIPS Rechenleistung stehen Entwicklern von Systemen mit dem höchsten Sicherheits-Level ASIL-D zur Verfügung – im Vergleich zu ca. 2000 DMIPS bei der Vorgängergeneration TC2xx.

Durch den hohen Integrationsgrad und die vielfältigen Gehäuse-Optionen lassen sich kompakte Schaltungen realisieren – vom TQFP-80/BGA180 mit 12 mm × 12 mm bis hin zum LFBGA-516 mit 25 mm × 25 mm. Ein neues Funktionsmerkmal gegenüber der ersten Aurix-Generation ist eine Erweiterung des Radar-Subsystems mit Signalverarbeitungseinheit, zusätzlichem Speicher und optimiertem Datenpfad. Der Umfang an Schnittstellen wurde mit max. zwei Gigabit-Ethernet-Interfaces und zusätzlichen Schnittstellen sowie einem eMMC-Interface für externe Flash-Speicher erweitert. Außerdem wurden das HSM und die AD-Umsetzer erweitert bzw. verbessert. Darüber hinaus unterstützt der integrierte Spannungsregler des Aurix in den Low-Cost-Derivaten eine DC/DC-Wandlerschaltung mit geschalteten Kondensatoren, womit Platz und Kosten für bis zu zwei externe MOSFETs und Spulen eingespart werden kann. Mit dieser Wandlerschaltung kann die Leistungsaufnahme im Betrieb halbiert werden.

Evolution der Prozessor-Architektur

Die neue Aurix-Mikrocontroller-Generation ermöglicht eine schnelle Umsetzung von Schaltungen auf Basis der bisherigen TC2xx-Mikrocontroller mit höherer Leistung und neuen Eigenschaften (Bild 3). Dazu trägt u. a. die Anschluss-Kompatibilität mit bisherigen Gehäusen bei.

Unterschiedlich leistungsfähige Derivate der TC3xx-Mikrocontroller in identischen Gehäusen bieten dem Entwickler Skalierbarkeit und Flexibilität, wobei Software-Kompatibilität über die gesamte TC3xx-Mikrocontrollerfamilie gegeben ist. Außerdem ist auch das Safety-Konzept grundsätzlich beibehalten worden.

So können Entwickler bekannte Safety-Eigenschaften aus der TC2xx-Mikrocontrollerfamilie wiederverwenden und durch die zusätzlichen Hardware-Funktionen LBIST/MBIST (Logic Built-in Self Test/Memory Built-In Self-Test) bei der TC3xx-Mikrocontroller-Familie auf Safety-Software verzichten. Für die hohe Rechenleistung der TC3xx-Mikrocontroller sorgt die neue TriCore-Generation (1.62) mit neuen Instruktionen und bis zu sechs CPUs mit 300 MHz Taktfrequenz sowie einem direkten Pfad für den Flash-Speicherzugriff. Auf der Speicherseite wurden nicht nur die Kapazitäten erhöht, sondern auch die MPU (Memory Protection Unit) wurde weiter verbessert.

Die TC3xx-Mikrocontroller-Familie verfügt über verschiedene, leistungsfähige AD-Umsetzer. Es sind vier Umsetzertypen integriert: Primär-SAR (12 bit), Sekundär-SAR (12 bit), Fast-Compare (10 bit) und Delta-Sigma. Die ADUs bieten Abtastraten von 1 bis 40 MHz.

Die optimierte ADAS-Funktion der Aurix-TC3xx-Mikrocontrollerfamilie kommt insbesondere Radarsystemen zu Gute (Bild 4): von der Totwinkelerkennung bis hin zu Front- und Eck-Radarsystemen.

Die TC3xx-Mikrocontroller bieten dafür die bereits erwähnte Radar-Recheneinheit mit bis zu zwei Signal Processing Units (SPU), die die höchsten Safety-Anforderungen unterstützen. Diese arbeiten mit einer Taktfrequenz von 300 MHz und ermöglichen die Berechnung von neuesten Radar-Algorithmen auf einem einzigen IC mit sehr geringer Stromaufnahme im Vergleich zu herkömmlichen GPUs/DSPs. Über die digitale Radarschnittstelle lassen sich HF-Radar-ICs direkt und mit hoher Datenübertragungsrate mit dem Mikrocontroller verbinden.

Das verbesserte HSM macht die On-Board-Kommunikation sicherer und erschwert Hardware-Manipulationen. Es enthält neue Funktionen zur Unterstützung asymmetrischer Verschlüsselungsmechanismen gemäß den im EVITA-Projekt (E-Safety Vehicle Intrusion Protected Applications) erarbeiteten »high«-Anforderungen.

Um als Host-Mikrocontroller in Gateway- und Telematik-Anwendungen eingesetzt werden zu können, unterstützen die Aurix-TC3xx-Mikrocontroller die neuesten Kommunikationsschnittstellen. Dazu gehören bis zu zwei Gigabit-Ethernet-Schnittstellen, bis zu 20 CAN-FD-Kanäle gemäß ISO 11898-1 und bis zu 24 LIN-Kanäle. Eine zusätzliche eMMC-Schnittstelle für externes Flash-Interface ermöglicht u. a. die lokale Datenspeicherung für SOTA (Software update Over The Air).

Infineon ist außerdem einer der ersten Halbleiterhersteller, der eine Multicore-Architektur mit Autosar 4.x bietet. Dafür werden MCAL-Treiber (Microcontroller Abstraction Layer) bis Level ASIL-D entsprechend dem CMM3-Level und ASPICE (Automotive Software Performance Improvement and Capability dEtermination) Level (bis zu 1) angeboten.