天天说的汽车ZCU，到底是个啥？

这几年，越来越多汽车OEM和Tier1会提到整车区域控制器ZCU（Zone Control Unit）这样的概念。自从从特斯拉Model 3率先实现“中央计算+区域控制”框架，基本实现中央集中式架构，汽车的电子电气架构 (Electrical/Electronic Architecture，简称EEA) 集中化就成了大趋势，ZCU也迎来了大爆发。

想要了解ZCU是什么，就得了解整个系统发生了什么变化。换句话说，ZCU概念的提出就是伴随电气架构而诞生的。

在芯片行业的人一定对集成化这个词不陌生，无论是数字芯片，还是各种电源芯片，都在搞模块化和集成化。EEA)也不例外。现在汽车引入的功能太多了，每个功能要都作为一个新模块引入，也就是电子控制单元（Electronic Control Unit，ECU），而现在每辆最新的车辆都需要100～150个以上的ECU以及相关的线束，不仅制造商车辆空间不足，他们的布线要求也接近饱和点。总结起来，汽车E/E架构分为三个代际。

第一代为Flat（分布式架构），基本已经被淘汰。

Flat就像部落一样，每个电子功能都拥有自己的ECU，比如收音机对应一个ECU，雨刷对应一个ECU。 此时期，架构缺点很明显，各ECU间基本处于封闭网络状态，既无法实现功能协同，更不具备OTA升级条件。更重要的是，上百个ECU每个ECU各自为政，想要交换信息，每个ECU都需要一条线束控制和传递，所以这种架构很复杂、很难扩展。 

第二代为Domain（域控制）架构，属于现在主流。

Domain就像诸侯制，按照功能把车里面计算需求进行归类比如博世将整车架构划分为五个域，即动力域（Power Train）、底盘域（Chassis）、车身域（Body/Comfort）、座舱域（Cockpit/Infotainment）、自动驾驶域（ADAS），而此时负责处理这些工作的核心就是域控制器（Domain Control Unit）。表面来看，这种分类非常清晰，但在车上的走线却非常复杂，因为每个功能实际所处位置遍布全车身，最终导致线束在车里绕来绕去。

第三代为Zonal（区域控制）架构，特斯拉已经采用这种架构，其他OEM正在转型中。

虽然Zonal也是按照区域分类，不过与Domain不同，它是按照物理位置的方式去归类，更像郡县制。特斯拉Model 3的Zonal架构分为前车身、左车身、右车身三个物理的区域，对应布置三个区域控制器ZCU（Zonal Control Unit），所有端侧执行器就近接入ZCU中，变成典型的IT计算架构，线束也更加简洁。

通过上面介绍，不难看出，其实ZCU就是把过去的一些ECU吞并，形成一个更大算力，更强通信的一个模块。

有些企业开始使用Domain和Zonal中间态的Domain Plus，在形态上已经接近Zonal。而大多数车企仍处于“分布式ECU+域控制器”的过渡阶段；预计到2025年，部分车企将实现中央计算与区域控制器的集成；2030年，Zonal架构将会成为业界主流。

减少整体ECU用量

业界希望的最佳状态是只用一个ZCU就能带动所有系统，不过，将处理器组装在一个封装中，具有处理全车自动驾驶所需的每秒万亿次运算（TOPS）的全部计算能力，在经济上是不可行的。所以现在基本上是通过区域控制器（ZCU）和中央计算节点启用的共享处理，整体计算吞吐量和内存资源（例如固态驱动器SSD）的利用率得到优化，而不会给系统带来过大的压力。

拥有系统处理冗余

Zonal架构毕竟还是采用分区的形式，特别是通过将物理上距离较远的区域控制器连接成一个环，提供了一个有吸引力的选择，可以避免车辆的一个特定区域受到影响的故障情况。

电源架构有优势

在Zonal架构中，配电箱被重新分配，以便每个区域有自己的配电单元，为相应区域的模块供电。Zonal架构的配电模块设计在整个车辆中可以相似。使用智能高侧开关等半导体解决方案代替机械继电器和保险丝，可实现更敏感的电源配电模块设计，将模块放置在更靠近负载的位置，而不是更远的地方，以便更容易更换。

通信架构更优化

ZCU本身，能够与区域内的其他控制单元通过CAN总线、LIN总线或以太网等通信方式实现高效连接。而在Zonal架构下，用以太网就能支持所有连接。要知道，CAN、CAN FD也是需要向博世授权的，这也不是一笔小数目。Zonal让所有数据都转换为以太网帧，并可用于主干网上的所有域控制器。不同的虚拟功能和虚拟机可复用各个功能。还可以根据CPU负载或电源情况转移任务及完善虚拟机 (负载平衡对电动汽车非常重要)。

软件机制更好了

软件定义汽车这个概念在Zonal架构下更会大行其道，软件OTA的实现难度大大降低，使得汽车即使在交付给最终用户后依然能够及时进行更新。同时，Zonal架构使汽车软件集成机制从现场总线信号转变为面向服务的架构（即SOA）。SOA将软件与硬件解耦。

缩减线束使用量

Domain架构车线束成本可以达到1000美金，线束长度约3～5千米，平均占汽车重量的45-55千克，最重可达68千克，Zonal架构就能大大缩短布线长度（从3千米缩短到1.5千米），并使总体线束重量减轻了85%。

区域控制器（ZCU）除了原本的控制内外灯、雨刮、继电器等，还增加了控制空调风门、后视镜、门窗、门锁、PEPS等，甚至有些还集成了网关、VCU功能。功能安全要求从原本的QM变成了ASIL-B/ASIL-D(集成VCU时)。

通过将多个ECU的逻辑输入/输出（I/O）功能合并到区域模块中，并保留传感器和执行器的位置，ZCU实现了物理和逻辑I/O功能的分离。而在软件方面，IT行业的SOA（面向服务的架构）概念，也逐渐成为Zonal架构的设计方法。

由于ZCU与其控制区域内的所有设备进行接口，因此，它可以使用多种不同类型的通信协议与广泛的设备进行接口。下图展示了ZCU的电路模块：

从许多ECU到ZCU，更集中化，就意味着设计更复杂化，这会带来芯片层面上的变化。

挑战一：时间意识

随着更多数据在更加集中化的拓扑结构中流动，对高速网络的需求变得愈加明显。这将导致现有的总线系统CAN（最大速度为几Mbps）逐渐被以太网取代，以太网能够提供100M或1Gbps速度。同时，还需要将新的计算资源与传统系统相结合。这种混合化设计必须考虑到精确计时的需求，因为许多系统会依赖时间。所采用的标准将包括IEEE 802.1AS-2020，这是IEEE批准的用于时间敏感网络（TSN）应用中的时间和同步标准。

挑战二：通信

区域网络的概念是基于一个以太网骨干网，连接不同的区域控制器、域控制器/中央计算机。在每个区域内，将会有多个适当的边缘网络，连接区域模块和边缘ECU。这些网络主要包括CAN FD和以太网，及其最新变种如CAN XL和10BASE-T1S。区域模块的通信挑战在于能够无缝地将区域网络拓扑从功能性中抽象出来。

挑战三：网络配置

除了通信复杂性外，网络拓扑中不同网络组件的多样性（例如不同的以太网交换机或网关）进一步增加了挑战。克服这一复杂性的第一步之一是简化网络组件的配置方式。软件定义网络（SDN） 是一种可以在区域网络中使用的技术，用来简化以太网组件的配置。SDN本质上通过标准化网络数据平面（例如交换机）的接口，使得来自控制平面（例如域控制器/中央网关）的配置与硬件和厂商无关。SDN还支持通过远程网络进行配置，能够实现车队管理、简化的网络配置。随着车辆通过OTA软件更新变得更加可更新，这一点变得尤为重要。

挑战四：延迟与抖动

随着区域架构的引入，功能将从域控制器迁移到区域控制器和中央控制器。这一迁移将把车辆应用映射到更多的处理和网络元素上。为了将增加的资源共享对端到端延迟和抖动的影响降到最低，架构中的中央控制器必须由高性能、多核处理器组成，并采用先进的任务调度算法。同样，通信网络需要使用超高速骨干网，并采用先进的流量调度机制，例如由IEEE 802.1时间敏感网络（TSN）工作组标准化的机制。优化使用这些先进调度算法会引入自身的配置挑战（参见下图以及“挑战 — 网络配置”部分）。

挑战五：安全性与保障

功能安全性和安全性是汽车行业中公认且重要的设计原则。在追求零事故的过程中，必须考虑设备和系统故障、系统攻击以及人为错误。针对区域架构的附加功能安全和安全性挑战，应利用现有的功能安全和安全措施，特别针对两个方面进行处理：

一是通过隔离不同关键性的信息的代码、数据和网络流量，防止干扰、篡改和未经授权的访问。实现这些方法的方式包括加密和防火墙，以及使用虚拟机监控程序和虚拟机进行代码执行，并通过如TDMA（时分多址）等技术实现时间隔离。

二是防止新的单点故障。可能出现的新单点故障包括处理核心和通信链路，其资源可能因过度的意外或故意使用而被耗尽。针对这些问题，可以采取的方法包括限速功能和数据流，将资源的使用分摊到时间上，并进行监管。此外，还可以使用冗余和多样化的核心与通信链路，以防止系统性故障，并实现故障时仍能保持正常运行的能力。

目前，ZCU中，常见的芯片包括：

• 主控芯片：NXP S32系列、TI的DRA821或AM2x嵌入式处理器、瑞萨RH850/U2A、英飞凌的TC39x、芯驰E3430、国芯CCFC3007、CCFC3012；

• 电源芯片：SBC英飞凌TLE9263/TLE9273、NXP的FS23系列；DCDC和LDO大部分国产都是和TI的热销型号

• 电机驱动芯片：英飞凌TLE941xx系列、TI DRV89xx系列、ON NCV772x、谭慕TPM7306A/08A/10A、矽力杰SA52106/08、SA52112；

• 多路预驱：英飞凌TLE92108和TI的DRV8718，类比DR7808，纳芯微NSD3608等；

• 步进电机驱动：ON NCV70517，TI DRV8889，纳芯微NSD8381；

• H桥驱动：TI DRV824x系列和DRV814x系列，ST的H桥驱动；

• 高边驱动芯片/低边驱动芯片：ST、英飞凌、TI、NXP为主，国产包括类比、纳芯微；

• 低边驱动芯片：ST、ON、英飞凌三家，如纳芯微的NSD12416/NSD11416、鸿翼芯的HELS120；

• CAN、LIN、Eth芯片：NXP、TI、Infenion、ON、芯力特、川土微、思瑞浦以及纳芯微等；

• 多路模拟/数字信号转换器：TI的SN74HC4851、SN74LV4051等，TI和安世的74HCT595，NXP的CD1030、TI的TIC12400等；

• 低频/高频芯片：主要是NXP和ATMEL；

• 数字钥匙芯片：NFC主要是NXP NCF3321，ST ST25R3920，复旦微FM17660A等；蓝牙主要是NXP KW36、KW45，TI CC2640、CC2340，OnSemRSL10、RSL15等；UWB主要是NXP NCJ29D5、NCJ29D6，Qorvo DW1000等；SE芯片主要是NXP NCJ37/38，复旦微FM1280等。

在传统汽车行业的价值链中，OEM想要集成某一项基础功能，寻找最好的供应商和最好的解决方案，可能要花费数月，甚至一两年时间才能集成一些最基本的组件。

现在芯片厂商的主要策略就是提供一个平台，把一揽子的产业相关产品和参与者都囊括进来。这样，就能把一套东西都合并到ZCU这么一个模块中。

NXP：S32 CoreRide

恩智浦最新推出的S32 CoreRide平台，便可以加速整个过程。简单解释，它是一个处理、汽车网络和系统电源管理与软件的集合体，突破新一代软件定义汽车开发中的集成障碍，减少成本。S32 CoreRide平台构建了一个坚固而持久的核心基础，是汽车运行的中枢神经，涵盖了从推进到车身，再到联网、功能安全、信息安全以及能源管理等各个关键领域。它具有较高灵活性，无论是在域架构还是在集中式架构中，都能够无缝地进行工作。

S32 CoreRide拥有三点优势：一是可以实现软硬件集成，从而充分发挥芯片性能；二是提供可扩展性，在处理能力上，恩智浦S32汽车电子处理平台产品非常广泛，从MCU到区域的处理单元ECU以及高度集成的5nm MPU，强大的产品组合让一项功能可以非常轻松地扩展应用到另一项功能当中，在这个过程当中，能够节约数月的开发时间。同时，恩智浦还可以将强大的处理性能、网络、系统电源管理技术集成在一起，实现最佳的性能；三是为客户提供灵活性，新汽车制造商可以整合ECU，开发出从特定功能域到区域再到集中式，跨不同档次、车型均适用的灵活架构。

瑞萨：RH850 U2A/U2B

在硬件解决方案方面，瑞萨的RH850/U2x高性能微控制器产品线支可以用于下一代区域/集成ECU。RH850/U2A MCU基28nm工艺技术，与片上系统 （SoC） 相比，可以提供成本敏感的单片MCU解决方案。

在软件解决方案方面，ETAS 的虚拟机管理程序 RTA-HVR 为瑞萨电子 RH850/U2x 硬件提供免费软件，以满足严格的汽车安全和安保要求。RTA-HVR 使用 Renesas RH850/U2x 系列的硬件虚拟化功能来创建多个VM。每个 VM 都有一个或多个虚拟CPU内核、一段内存空间和一组外围设备。此外，RTA-HVR 提供了一种称为“虚拟设备扩展”（VDE） 的机制，允许ECU集成商为特定区域ECU定制虚拟和物理外设之间的绑定。

在Zone-ECU虚拟化解决方案平台方面，ETAS和瑞萨电子已经实现了Zone-ECU虚拟化解决方案平台。该平台将瑞萨电子的 RH850/U2x 硬件功能与ETAS的RTA-HVR相结合，后者是一组虚拟机，每个虚拟机都使用ETAS的RTA-CAR AUTOSAR和PC托管的交互工具托管ECU映像。

ST：引入DDS协议

意法半导体的ZCU方案基于ST全面的汽车级产品，如Stellar G微控制器、SBC、高低边驱动、H桥、e-Fuse和保护器件。该ZCU方案集成了数字钥匙、前后数字化OLED灯、AVAS、门控、座椅调节、空调调节、迎宾效果、OTA等功能。用户中控平台可以通过车辆网络，发现和订阅ZCU提供的一系列基于DDS协议的服务，实现车辆的控制和调节。同时用户可以根据自己的喜好随时定义使用场景，实现高度个性化定制。

此外，通过在ZCU解决方案中引入DDS协议，以实现SOA。其优势包括：支持DDS协议，实现动态服务发现与订阅；基于AUTOSAR标准；支持Hypervisor硬件虚拟化；支持OTA（PCM技术，高效利用NVM）；提供意法半导体产品的复杂驱动软件（如OLED驱动、e-Fuse、OTA等）；实现更完整的区域控制器功能。

英飞凌：TC3xx/TC4xx

英飞凌提供了多种解决方案和优质MCU产品。如车载安全退磁的能量计算，英飞凌提出了夹持能的计算公式。在实际应用过程中，可以结合公式去准确计算钳位能量，从而去最优化的选择英飞凌IPD器件来稳定驱动对应负载，保证系统的长期可靠性。

值得一提的是，新的AURIX TC4x 系列MCU支持5 Gbit以太网和PCIe等高速通信接口，以及CAN-XL和10BASE T1S以太网等新的通讯接口。网络吞吐量和连接性的提高为客户提供了实施新E/E架构所需的性能和灵活性。

在2022年9月20日，英伟达就发布了新款智能汽车芯片Thor，其AI算力提升直逼2000TFLOPS，旨在取代汽车中的多个单独芯片，降低生产成本。不过，一股脑地将所有需要计算的东西都放在一个ZCU中，又不那么容易。所以，目前汽车E/E架构本身是一个逐渐吸收合并的状态，ZCU也会是一个慢慢整合的过程：

第一阶段，ZCU可能会采用通用化设计，兼容现有的ECU网络（如CAN/LIN/FlexRay），作为数据转发设备，通过服务层抽象区内功能；第二阶段，ZCU将减少区内ECU数量，整合更多ECU功能，并实现控制I/O的虚拟化；第三阶段，随着ZCU对计算能力的需求增加，MCU可能无法满足需求，可能需要引入更强大的MPU提供算力。

总之，ZCU的发展历程，可能会和过去CPU与南桥北桥一样，逐渐吸纳，最后一U搞定整个PC的计算。