集成半导体电路的快速发展推动了包括自动驾驶、电气化、互联驾驶以及相关的E/E架构等趋势。汽车行业的头部企业博世向业界展示，标准化和功能模块IP的复用等策略对于日益复杂的集成电路的设计工作的成本降低是至关重要的。
片上系统（SoC）将一个或多个微控制器内核与许多其他功能模块组合起来，在尽可能小的芯片面积上容纳越来越多的功能。然而，随着集成度的提高，开发工作也在增加。各个半导体技术的结构空间越小，每个新芯片的设计工作就越大，很容易达到几亿欧元。因此，半导体设计者越来越多地转向预先开发的模块，即所谓的IP核，它们可以不费吹灰之力就能集成到SoC中。这些IP核以硬件描述语言（如VHDL）提供，并可由用户授权用于他们的设计。与消费者或工业应用相比，如图形处理器、以太网交换机或内存控制器，迄今为止，在汽车领域只有少数几个专门的IP核能满足汽车应用的需要，并能在市场上立足。
核功能的标准化
除了纯粹的减少工作和开发成本外，IP核还允许在硬件方面实现核心功能的标准化。由于这种兼容性，使用普遍可用的IP核使汽车制造商在选择半导体元件时有更大的灵活性，因此在选择车辆电子装置中的ECU时也是如此。这些ECU在新的汽车电气和电子（E/E）架构的定义阶段起着特殊的作用，未来将与软件平台和围绕微控制器、SoC和微处理器的应用共同设计。图1显示了一个跨供应商层面的多阶段链的例子。市场要求被捆绑在IP核中--包括OEM（汽车制造商）和Tier-1（系统供应商）的要求，取决于IP，用于一个或多个应用。供应商将在这些条件下设计的IP核心提供给半导体制造商，也可以提供单独的版本，但总是具有相同的标准化核心功能。Tier-1供应商和越来越多的OEM直接将最终的半导体组件用于他们的车辆ECU。产业链上的竞争导致了创新，而IP核心确保了核心功能的标准化。
图1. IP核是需求-功能链中的关键元素（来源：博世）
汽车SOC中的IP核：应用领域
IP核在汽车行业内外成功的最著名例子可能是英国公司ARM及其处理器核。作为基于RISC（精简指令集计算机）架构的计算核心的领先的独立许可供应商，该IP供应商使全球的半导体制造商能够开发他们自己的SoC，而不是主要的制造商的专有核。另一个选择是开放标准的RISC-V，它在很大程度上可以自由使用，并且有来自几个供应商的开放源码内核。然而，用户在质量保证和开发一个可靠的生态系统方面的成本较高。
另一个应用领域是车辆中的安全数据传输。特别是在实施标准化的跨任务协议时，使用现成的IP核不仅为半导体制造商带来了大量的开发工作，而且更容易确保与相关行业标准的兼容性和一致性。对IP功能的广泛验证和汽车行业所需的证明安全和互操作性的努力是相当大的。每个半导体制造商的单独实施都会大大增加相应部件的成本。
图2. CAN vs. 以太网: CAN XL拓展了低速、高鲁棒性CAN总线的世界（来源：博世）
在通信总线领域的汽车IP的例子是由各种IP供应商提供的CAN控制器的实施。在这个有趣的超过10Mbit/s的标准化网络技术领域，增强的CAN变型CAN XL将很快进入市场，作为10BASE T1S Eth ernet的替代品，图2。CAN XL成功地结合了廉价和强大的CAN世界的优势--包括灵活的拓扑结构和成本与带宽之间的权衡--以及面向未来的车辆通信的最新功能，如用于隧道传输各种协议的高达2048字节的大型有效载荷、功能安全和信息安全以及服务质量QoS机制、实时关键控制和驱动。
与设备开发过程中的协同作用和降低成本的目标相反，汽车行业对半导设备的架构事实上的标准化的渴望也可以推动汽车IP的创建。多供应商战略在半导体行业中是必需的，特别是在供应稀缺的时候，使得迫切需要对微控制器、微处理器和SoC架构中那些特别影响软件应用实施的部分进行标准化。因此，快速更换部件成为可能，甚至是跨制造商。
图3. 通用定时器模块（GTM）通过少许代价就可移植到许多MCU中（来源：博世）
这方面的一个例子是博世的通用定时器模块（GTM）IP，图3，它已经被各种半导体制造商用于微控制器中。在硬件近亲控制的应用中，GTM允许在大量的微控制器中使用相同的应用，而且移植的工作量很小。GTM IP的可扩展结构和地理性质适用于处理任何数字输入信号，以及为执行器生成最复杂的控制信号。它可以解决各种各样的应用领域，并将定制的IP版本集成到半导体中--从内燃机和电力驱动中的电机控制，到广泛的车身和底盘应用，直至串行接口的仿真。
图4. 数据流架构（DFA）IP将会是一个成本上有竞争力且有吸引力的方案（来源：博世）
在汽车领域开发高效IP的另一个应用领域是复杂数学函数的计算，例如以嵌入式AI（人工智能）、机器学习或硬件加速器的形式，在运行时灵活、动态地适应复杂数学算法的实现。目前可用的IP仅限于用SIMD结构加速的数学运算，一般来说很难被集成到嵌入式系统的调度中。目前，几个半导体制造商正在推出一种超越这个范围的IP。如果没有数据流结构（DFA）IP，各种ECU中很快就会需要千兆赫处理器。在许多情况下，带有DFA的微控制器（图4）将是比昂贵得多的微处理器更具吸引力的替代品，从而使一级或OEM厂商今天就能为明天的算法做好准备。
另一个应用领域是跨主机和跨协议的数据处理。未来的E/E架构将同时使用多种通信协议，必须确保数据交换具有高带宽和良好的可靠性，例如，低延迟和低抖动。只有这样，功能才能在ECU中自由分配。各个ECU的功能是集中的，图5，因此需要在节点（车辆电脑、区域电脑、网关）上进行原件转换，如LIN、CAN和以太网。基于软件的解决方案达到了其极限，并导致零星的数据包丢失。另一方面，基于硬件的解决方案能够在车辆的各区和各域之间进行快速和可靠的实时通信。不同ECU中的标准化实施是这里的关键。未来，诸如增强型数据引擎（EDE）等IP核将使半导体制造商能够在不同的产品中提供这种标准化的通信，如微控制器、SoC和开关。由车辆传感器发送的CAN/LIN数据包以隧道形式通过以太网络主干转发。根据应用的具体需要，EDE IP核可以与内部或外部的物理接口（收发器）相结合。
图5. 先进的车辆网络技术（左：今天，右：将来，来源：博世）
成功集成的前提
除了定义和实现汽车IP外，汽车行业不断增长的要求对IP供应商来说也是一个重大挑战。将IP核无缝集成到相应的微控制器中需要一长串的可交付成果，这些成果伴随着实际的IP源代码，通常以VHDL或Verilog形式交付。- 允许最终用户理解和使用IP功能的交付物，如用户指南、正式的寄存器描述， - 使半导体制造商能够将IP集成到相应的微控制器或SoC中的交付物，如集成指南、协同论文参数、集成测试， - 有助于证明必要的质量和安全的交付物，如验证计划和相关保障、证书。近年来，质量保证和功能安全方面已经获得了明显的重要性。现代验证方法，如通用验证方法（UVM），使IP供应商能够在验证环境中实现代码和功能覆盖率方面的目标值。此外，它们还提供了将IP供应商的验证活动高度集成到集成和半导体制造商的微控制器验证中的可能性，从而创造一个完整的端到端覆盖。这些验证活动通常由IP验证来补充，例如通过FPGA实现，这允许在实际环境中对功能进行早期测试。通常需要通过认证来确保和证明的功能安全，也会产生相当大的努力--对于IP供应商和微控制器制造商。虽然IP通常是孤立的，即所谓的安全元素（SEooC），它很少能达到更高的完整性水平，如ASIL-D，而不需要在系统层面上进一步的保护和考虑他们自己，但在IP开发过程中，必须遵守相关标准的规定，如ISO 26262。这使得IP供应商向半导体制造商提供必要的数据，如FMEDA，文件，如安全手册，和证书，如ISO 26262验证，制造商需要保证在系统级的目标ASIL。
图6. 具有影响力的IP核生态系统的例子（来源：博世）
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