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瑞彩祥云

作者:王瑩,毛爍時間:2019-08-12來源:電子産品世界收藏

  王?瑩,毛?爍?(《電子産品世界》,北京,100036)

本文引用地址:/article/201908/403601.htm

  摘?要:/自动驾驶、新能源汽车驱动了汽車電子的变革,、攝像頭/圖像傳感器、AI芯片、/管理器件、功率器件、、接口等技術産品在不斷叠代出新。本文采訪了部分業內有代表性的廠商,從中可以了解到相關領域的半導體創新動向。

  關鍵詞:

  1  與攝像頭

  1.1 用于和自动驾驶的雷達與攝像頭

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      大概十年前,恩智浦需要交付的是三十个大客户,其中包括十大车企、二十家tier 1(一级供应商)。但是如今在美国湾区以及在中国,整个生态系统在不断爆发式增长与形成,所有的参与者都在合作,恩智浦就是架在他们之间的一座桥梁。恩智浦需要着眼于整个系统,包括管理、汽車的智能駕駛,以及傳動系統如何感知周圍環境、如何思考、如何連接到雲端,各個部位如何操作、汽車的動力總成、汽車的功能性、安全各方面如何保障等等。

  在中国汽車電子市场,平均每一辆汽车所承载的电子技术水准还没有达到全球的平均水准,是低于世界平均水平的,因此增速很高。以雷達为例,全球汽车雷達的年平均增长率是20%。但是中国的车载雷達增长率达到了40%,是全球汽车雷達年增长率的2倍。

       具体而言,随着ADAS(高级驾驶辅助系统)产业化进程的加速,下一代完全的自动驾驶汽车有望在下一个十年实现。其中,雷達将是自动驾驶领域增长最快的部分,雷達芯片的需求也将在未来几年激增。自动驾驶需要的不只是一个传感系统。如果只是拥有良好光学性能的摄像头,也只能局限在视野中的线路之中。而且在光线条件差或者雨雾天气等情况中,其性能会大幅下降。毫米波雷達在众多傳感器中的全天候性最好,在大雾、雨雪天气中也能发挥其应有的性能,但其自身也有不足之处,例如交通信号的识别、车道线检测等,这方面需要與攝像頭配合使用,互为补足和冗余。L3级别以上的自动驾驶还需要激光雷達,因为即使摄像头也在光学探测的范围内,还做不到足够的精确来达到诸如定位等功能。

  目前汽车制造商在尝试着各种类型傳感器。举例来说,自动紧急刹车系统(AEB)中配备了一个摄像头系统和一个毫米波雷達系统,摄像头系统和毫米波雷達系统同时反馈有障碍物时,那么就会自动进行紧急刹车。但如果只有摄像头系统警报,你就需要确认这个摄像头有没有误报或者有没有错误地解读接收的数据。路边的纸箱不应该造成紧急刹车,这对于雷達和摄像头系统来说都是同样的要求,这两项技术都需要在自动驾驶系统中提供可靠的功能。

  恩智浦在77 GHz毫米波雷達领域处于市场领先的位置,同时也在开发视觉系统,同时在视觉芯片上是开放的——它并不像为摄像头、软件等所做那种芯片,它们更像是雷達芯片的构造,使用雷達的微处理器,运行不同的图片。恩智浦并不是在构造摄像机,也不是在构造一个激光扫描仪,而是用恩智浦技术运行的微控制器()来操作这些设备。目前,恩智浦的摄像头解决方案已经开始落地,例如主动泊车辅助系统。2019年4月,恩智浦宣布已经对中国自动驾驶科技公司南京隼眼电子科技有限公司进行了投资。恩智浦是基于RF CMOS技术的77 GHz汽车雷達傳感器的先驱和市场领导者,该技术是实现下一代高级驾驶辅助功能的关键技术,而且该技术将得到进一步发展,以对弱势道路使用者(注:例如行人、骑车者等)进行检测和分类、实现全视图和环绕视图应用以及成像雷達解决方案,成像雷達可以取代更昂贵、更笨重的技术。通过与隼眼科技进行合作,恩智浦正在加快大规模实现雷達傳感器和S32处理产品组合在中国本地的商业化。

  1.2 用于ADAS和自动驾驶的图像感知趋势

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  攝像機在汽車ADAS有舉足輕重的位置。現在攝像機在中國汽車産業中主要應用于後視、360°環視、行車記錄儀。在不久的將來,前視ADAS系統、艙內監控和電子後視鏡將也有廣泛應用。現在車內攝像頭有1~5個,隨著自動駕駛進程的提升,汽車可能安裝12~15個攝像頭。

  第一代後視和環視倒車系統大多采用標清和簡單的前照式100萬像素圖像傳感器。今後大多環視系統需要3D成像並應用于實現自動泊車系統。因此需要性價比高、具有背照式100萬像素和高動態範圍(HDR)的圖像傳感器,非常少數系統會升級至200萬像素。現在安森美半導體提供的主流的環視傳感器是包括100萬像素的AR0143AT、AR0147AT和200萬像素的AR0233AT。

  行车记录仪从后装到前装,要求图像傳感器必须 是200万像素,30 帧/秒,高动态(大于96 dB),且 具有很好的微光特性。现在市场用的是性价比较高的 AR0237AT,此方案具有成本竞争优势,可以满足以上要求。今后如果需要更高的HDR,诸如120 dB和好的微光性能,客户可选用AR0239AT。如果系统还需要HDR+抑制LED闪烁(LFM)功能,可以选用AR0233AT。

  今后ADAS 应用需要高动态范围120 dB,提供HDR + LFM 架构,多种优化的色彩滤波阵列(CFA),符合汽车功能安全ISO26262,可以支持网络安全的图像傳感器。安森美半导体为现在和未来ADAS提供全面的方案,是能够提供汽车ADAS 平台所有摄像机种类的少数供应商。

  电子后视镜是现在新兴的一种应用,一般需要图像傳感器可以达到60 fps(帧/秒)速率,120 dB HDR+LFM,和好的微光性能。安森美半导体的方案采用超级曝光的背照式(BSI) 像素微光灵敏度,符合ISO26262 和汽车安全完整性等级B+ (ASIL B+) ,主推的图像傳感器产品包括AR0147AT和AR0233AT。

  舱内监控是增长率非常高的一种应用,舱内监控包含驾驶员监控和乘客监控。摄像头要捕捉司机眼睛和头部动作,全局快门图像傳感器是驾驶员监控最好的方式,可以捕捉快速运动,无拖影。乘客监控则采用RGB-IR的图像傳感器,以达到白天和夜晚同时可以看到清晰图像的效果。安森美半导体提供全面的产品线: 从标清至2MP,图像傳感器具有高的红外(IR) 响应,可以在红外条件下清晰地看到驾驶员眼睛,具有高的全局快门效率,明亮环境下的图像受控。

  2  MCU与AI芯片

  2.1 瑞萨MCU助力Cross-Domain应用开发

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  中国汽车市场在经过过去十多年的高速增长之后,在2018年出现了负增长,2019上半年增长仍旧比较乏力。但我们同时也应该意识到,在每年汽车产销量接近3 000万的一个如此大的市场,目前的调整也为产业升级带来了一个机会。

  新能源车、智能驾驶、智能座舱、车联网等等这些词语我们每天几乎都能听到,各个主机厂、Tier1也开始在这些方向上进行研究、布局。同时随着汽車電子化程度越来越高,功能越来越丰富,单纯靠增加ECU(电控单元)的方式已经基本不可能了,这主要是受到总线負載率和整体成本的限制。

  为了更好地满足这些变化所带来的需求,瑞萨推出了下一代28 nm工艺的MCU——RH850/U2A。这是一款针对cross-domain应用而推出的MCU,作为新一代车载控制芯片,其可以很好地满足功能集成化的需求,从而实现将电子电器架构中不同的应用整合到同一个控制单元,进而实现cross-domain的需求。RH850U2A配备了4组lock step(锁步)内核,从而满足ASIL D的功能安全的需求。同时,每个CPU的主频可以达到400 MHz,并且每个CPU可以支持hypervisor的功能,当我们的系统从之前既有项目移植过来时非常方便。使用该系列MCU可以帮助客户提高开发效率,缩短新项目开发时间,从而加速网联车及自动驾驶车的开发上市时间。

  该产品另一大亮点就是支持不停车OTA(空中下載)功能,从硬件設計上保证了新旧程序升级时的独立性。RH850/U2A MCU支持高达16 MB的内置Flash(闪存)和3.6 MB的RAM,为用户未来的功能扩展提供了灵活性。在网络安全方面,该MCU支持从Evita Light到Evita Full的全部安全等级,可以从网络安全的角度保证不停车OTA的安全升级。

  2.2 软硬结合的AI芯片助力自动驾驶

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  面对汽车数字化重塑的浪潮,从技术角度看,最大的挑战来自AI边缘计算。在过去的数年里,我们看到自动驾驶的等级每提高一级,算力差不多要提升一个数量级。如果要实现全自动驾驶,我们需要1 000 TOPS量级的算力,而人脑的算力大概也是1 000 TOPS,所以自动驾驶如果想达到人类的水平,首先要在算力方面达到人类的水平。

  这个等级的算力需要AI芯片突破成本、功耗和性能的瓶颈,就必须将处理器构架的创新与算法和工具链相结合,软硬协同进行設計。脱离算法和工具链,单纯谈芯片的绝对算力是没有实际意义的。

  當前的業界存在一個很大的誤區,往往會把絕對算力當作衡量AI芯片的主要指標,但我們真正需要的是有效算力,需要從四個維度來衡量:算力的有效利用率,每瓦的有效算力,每美元的有效算力,以及算力轉化爲AI結果的效能(目標數量,幀率等)。

  本質上講,芯片和構架是手段和載體,軟件是目的和靈魂。軟硬件一起做,可以讓手段和目的高度統一。只有硬件俯下身來去適配軟件的時候,才能夠使晶體管所發揮的效能大幅度增加。處理器構架的創新是一個非常高的壁壘,需要對軟件有深刻理解。這樣的整體解決方案決定了數據轉化爲決策/服務的效率和質量,是時代真正呼喚的硬科技。

  地平線基于這樣的理念,推出了高效能的征程芯片,第一代征程芯片已經大規模量産應用,第二代征程芯片也即將正式推出。推出了高效能的征程AI芯片,並即將推出第二代征程芯片。

  可以說,未來的智能汽車就是一部移動的超級計算機兼數據中心,而邊緣的AI處理器是智能汽車競爭的主戰場,更是技術制高點。

  依托独特的软硬结合边缘AI处理器技术,面向智能驾驶 ,地平线可提供高性能、低成本、低功耗的多级别环境感知方案,支持对复杂场景进行细粒度、結構化的语义感知,高度可扩展、模块化的三维语义环境重建,以及透明化、可追溯、可推理的决策和路径规划。而面向车内交互场景,地平线可提供 DMS、AR-HUD、Face ID 等基于视觉感知与语音技术的多种人机交互方案。具体方案包括:地平线Matrix360°视觉感知方案,地平线NavNet众包高精建图与定位解决方案;高级驾驶辅助系统(ADAS);地平线多模态交互解决方案。

  3  新能源汽车三电及功率器件

  3.1 ADI提供精准安全的锂電池监控方案

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  以電動化、網聯化、智能化、共享化爲代表的汽車“新四化”正在引領著汽車行業加速發展。特別是“電動化”,中國汽車市場增長面臨著巨大壓力,而中國新能源汽車市場仍然保持著強勁的成長勢頭。2018年全球主要國家新能源汽車銷售超過200萬輛,中國銷量達125.6萬輛。中國市場占比超過53%,成爲推進新能源汽車的主導者(銷量數據來源:中國電動汽車百人會)。

  相应地,随着新能源汽车的市场保有量逐年增高,新能源汽车安全性引起了国家相关部门和消费者的高度关注。目前工信部正在针对国标《电动汽车用动力蓄電池安全要求》进行汽车行业强制性国家标准报批公示。而部分领先的车企已经率先按照国际标准UL2580进行动力電池的安全认证。相关安全认证测试包括防水测试(潮湿、淋雨、浸泡)、碰撞测试(火烧、挤压、针刺)、极端环境测试(高低温、高低压)和保护装置测试(绝缘防漏电、防尘防水)等测试项目。因此国内厂商开始关注系统级的安全性設計以及ISO26262标准的引入。集成越来越完备的故障报错机制、数据校验机制以及冗余监控机制是当下新的技术趋势。

  ADI致力于提供精准、安全的锂電池监控解决方案,帮助客户应对系统的可靠性和安全性的挑战。ADI锂電池监控IC产品目前已经发展到第五代,安全性、精度和性能处于业界领先地位。ADI已经推出一系列可应用在混合动力车及纯电动车上面的锂電池监控IC产品。这些产品集成了锂電池安全监控器,可以帮助用户实现故障安全電路诊断,并为之构建安全环境的安全监控器 件。该器件由電池组供电,可以针对过压、过温或欠压这三种状况中的任何一种提供共享式或单独式报警。

  针对系统级的锂電池组,ADI的LTC2949锂電池组高精度电荷能量计IC产品能够测量和监控電池组电压、電流、温度、功率、电荷、能量和绝缘等关键参数。结合电芯级别的锂電池监控IC产品组成全面的锂電池管理和安全监控方案。在提高了集成度的同时,优化了系统的可靠性和安全性。

  同时在新能源汽车的动力電池管理和電機控制系统中,很多地方要进行强弱电信号的隔离。ADI的iCoupler和isoPower系列数据和隔离器,具备优异的数据速率和功率消耗,同时满足隔离等级要求。3.2 汽车应用趋势及EV专用单元的综合解决方案。

  3.2 汽车应用趋势及EV专用单元的综合解决方案

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  ·主逆變器

       主逆變器将電池中储备的直流电转换为三相交流电来驱动电机。以往的逆變器用功率元器件多使用“IGBT和二极管”组合的产品,而能够降低电阻损耗和开关损耗的“SiC MOSFET和SiC肖特基势垒二极管”的组合正越来越受到关注。今后会向着低导通阻抗等更高性能而努力。

  ?DC/DC轉換器

  xEV不使用发动机,以高电压電池和马达来驱动。DC/DC轉換器由功率元件进行高频开关,通过变压器从高电压電池转换直流低电压。为了保护在低电压状态下工作的电子電路,需要将低电压PCB板和高电压PCB板与所有地与信号进行电气分离。另外,通过使用ROHM(罗姆)提案的搭载了SiC MOSFET的DC/DC轉換器系统,可以进行高速开关动作,在提高安全性的同时,还可以实现小型化和高性能化。

  ?車載充電器

  车载充電器是将家庭用100 V~240 V交流電流转换为直流電流,以对高压電池进行充电的AC/DC轉換器。为支持世界各国的家庭用電源的电压,车载充電器的容许输入电压为85 V~265 V。为了满足缩短充电时间这一市场需求,快速充电规格的电压更高,导致電池电压也随之变高。因此,车载充電器的容许输入电压也有升高的倾向,不仅仅是二极管,包MOSFET在内都在快速向着SiC化发展。

  ?電動壓縮機

  xEV的空調使用電動壓縮機。爲了提高馬達效率需要高電壓,對控制轉速的逆變器來說高耐壓、高可靠性、高效率也尤爲重要。ROHM面向電動壓縮機的IGBT擁有優異的短路耐受性,並且還是可以實現低損耗的高性能元器件。

  EV专用单元需要对12 V系列低电压電路和電池/驱动系统高电压電路进行绝缘,进而要求较高的可靠性、小型化、低功耗。ROHM通过SiC功率元器件、IGBT、SJ MOSFET等功率元器件对其作出贡献。并且,提供与功率元器件控制IC及電源、变压器、二极管、检测電流的分流电阻器等各种通用产品配套的解决方案,以此降低EV专用单元的功耗、提高效

  3.3 新型EPS冗余控制器与MOSFET

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  针对电动助力转向系统(EPS),东芝提供的EPS控制器核心芯片组,已被国内外主流EPS系统厂商采用,用以开发符合功能安全最高等级ASIL-D的EPS控制器。EPS作为支持自动驾驶的关键部件之一,如何保证转向系统的功能安全就成为整个系统設計的核心问题。

  在遵循ISO26262功能安全标准进行系统开发之上,系统的冗余設計及未来的线控转向(SBW)設計都需要对控制器方案进行更全面的考量。同时,为应对双系统控制器、一体化机型对于控制器PCB小型化的需求,芯片的高集成度和小封装也是东芝开发新产品的主要方向。

  例如相比传统三相无刷BLDC控制方案,新的EPS冗余控制系统需要客户选择符合功能安全ASIL-D要求的核心芯片包括:MCU、Pre-driver(电机栅极预驱动器芯片)、SBC(系统基础芯片)及MOSFET(功率器件)。东芝可以提供整套解决方案,特别是应对功能安全的系统設計需求,东芝推出的电机栅极预驱动器芯片TB9081FG内部的11通道预驱动具有高集成度和完备的安全考量。全新的IC集成了主要功能,包括三相预驱动電路、故障安全继电器预驱动電路和电机電流检测電路,以及各种故障检测電路。该IC还融合了用于检测潜伏性故障的ABIST/LBIST芯片上电自诊断電路,以确保更高的功能安全。此外还有一系列功能安全分析与設計。

  除此之外,相比于传统的EPS控制器,冗余設計系统中所采用的MOSFET最多可达22颗。如果工程师继续选择TO-263或T0-252封装的MOSFET, 那么整PCB(印制板)尺寸会非常大,成本也会大幅提高,这些都将无法满足OEM的量产化要求。为此,东芝针对性地推出了两款采用小型低阻抗SOP Advance (WF)封装的新MOSFET产品—TPHR7904PB和TPH1R104PB,均是车用40 V N沟道功率MOSFET系列的最新产品。这两款新MOSFET产品采用最新第九代U-MOS IX-H沟槽工艺制造,采用小型低阻抗封装,具备低导通电阻,最大导通电阻仅为0.79 mΩ,因此有助于降低导通损耗在此基础上,东芝还率先推出了量产化的DSOP Advance(WF)封装的MOSFET——TPWR7904PB和TPW1R104PB,突出的特点是采用的双面散热封装及最新芯片工艺可以大大提升MOSFET的散热效率,实现高散热性和低导通电阻特性。导通损耗所产生的热量得到有效消散,因此散热設計灵活性得到提高。此类产品量产,带给大電流电机应用客户更多的散热設計选择。

  3.4 Dialog针对座舱、车身、底盘的解决方案

       在汽車應用方面,Dialog半導體公司主要專注于行業分類中的三大類應用領域,它們的趨勢分別如下。

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  ? 座舱电子。消费者要求车载信息娱乐系统和导航系统能够提供像手机一样的用户体验,具有始终开启的连接、高质量的触摸屏、多功能和快速响应。Dialog提供针对组合仪表的PMIC、CMIC、LED背光;以及针对Head Units /信息娱乐系统/中控台的PMIC、CMIC、触觉控制驱动、LED背光等产品。

  ?車身和安全。在车身和安全应用中, Dialog主要专注在无钥匙进入系统(KLE)和轮胎压力监测系统(TPMS)。无钥匙进入系统可以进一步分为两个产品类别:钥匙和车载傳感器,Dialog为其提供PMIC、CMIC和具有加密通信和定位功能的藍牙低功耗(BLE)解决方案。针对汽车胎压监测系统(TPMS),Dialog提供市场领先的超低功耗BLE解决方案。

  ?底盤和安全。在汽车底盘和安全方面,Dialog提供的产品有:针对ADAS的PMIC和CMIC; 针对车前灯的LED驱动;针对Telematics(信息娱乐)的PMIC和CMIC;针对電機控制的定制ASIC; 针对连接和网关的PMIC、CMIC和藍牙低功耗方案。

  为此,Dialog提供一系列汽车应用解决方案,包括灵活、可扩展、高度集成和散热高效的電源管理IC(PMIC);可配置混合信号IC(CMIC);電機控制IC;藍牙低功耗IC(BLE)和触觉控制驱动IC。具体应用在如下领域。

  4  的趨勢

  4.1 美光内存和存储技术赋能自动驾驶汽车

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  自動駕駛汽車正在從未來的夢想變成當下的現實。最終,自動駕駛或將徹底取代人類駕駛員,道路上再也沒有昏昏欲睡、精力不濟或分心的司機。一輛汽車要想實現自動駕駛,必須由人工智能系統先進行大量的訓練,以便了解如何觀察路況、理解路況,並在任何可能的交通狀況下做出正確的決策。想要了解駕駛環境,就需要汽車上的海量傳感器捕獲海量數據,然後由汽車的自動駕駛計算機系統處理這些數據。

  基于人工智能的高性能計算機采用深度神經網絡算法,這使得自動駕駛汽車的駕駛能力優于人類。各種不同的傳感器協同運行,可以全方位、全天候、以更遠距離、更高精度地觀察整個環境,這是人類駕駛員無法企及的。

  在此背景下,汽車已經進入了前沿計算領域。如果說個人電腦曾經推動了存儲技術的發展,那麽汽車工業很可能成爲未來存儲技術發展的引擎。

  例如,预计自动驾驶汽车所包含的代码行数将超过迄今为止的任何其它软件平台。预计到2020年,一辆普通汽车将包含超过3亿行代码,将配备1 TB以上的存储,并且需要超过每秒1 TB的内存带宽来支持自动驾驶平台所需的计算性能。这些数据在-40?C~125?C的气温条件下都可以进行访问和处理。

  美光作为领先的汽车内存供应商,拥有超过28年的相关丰富经验,其先进的、符合车用规定的汽车内存解决方案已经上路运行数百万英里,助力汽车制造商实现具有创新性的构想。美光是汽车内存解决方案、图形内存(例如GDDR5和GDDR6)领域公认的领先厂商。总之,美光提供全面的基于闪存和DRAM的产品组合,专为车载信息娱乐、仪表盘、车联网和先进驾驶辅助系统(ADAS)等汽车相关应用而設計,符合相关质量标准和要求。美光科技近期发布的产品包括如下。

  ?2019年6月推出新型 UFS 2.1 托管型NAND 产品,满足了车载信息娱乐系统和仪表盘对于快速启动和更高带宽的需求。

  ?2018年底,推出高密度汽車級NOR閃存産品組合,幫助下一代超高溫解決方案快速可靠地啓動安全系統,以滿足下一代ADAS傳感器和控制單元的需求。

  4.2 兆易车用SPI NOR闪存

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  随着汽车应用的不断升级与更新,对车用系统和存储芯片提出了更高的要求,主要包括高性能、大容量、小体积及安全可靠性。兆易创新的GD25全系列SPI NOR Flash产品已完成ACE-Q100认证并实现量产,迈出了进军汽车市场的重要一步。严格来讲,除了发电机及汽车底座,该系列产品几乎可用于车身的各个部分,包括车载娱乐系统、智能驾 驶 系 统 、 显 示 系 统 、导航系统、摄像头、傳感器、车联网模块等等。兆易创新汽车市场总监史有强表示:“目前的汽車電子市场,汽车显示系统、辅助驾驶系统、车联网等是很具有潜力的领域,也是兆易创新现在与未来主要发力方向之一。”

  ?汽車顯示系統

  汽车显示系统已具备越来越多的显示屏、仪表视屏尺寸越来越大、分辨率增大,势必对Flash提出更高的需求。兆易创新的小尺寸封装的GD25系列NOR Flash产品,即可满足小型化、低功耗需求。

  ?輔助駕駛系統

  在自动驾驶等新应用场景的驱动下,NOR Flash迎来快速成长。实现自动驾驶,必然包括傳感器技术更新换代,用于大量的信息采集,用于存储采集动作的控制程序的NOR Flash需要更精密、小型化;在汇总数据、进行大量数据处理时,则需要高速、稳定、安全可靠的NOR Flash来存储和读取程序。兆易创新的USON8  的小尺寸封装产品,可同时满足小型、高速的需求。更高性能的大容量产品(1 Gbit)以及高可靠性SPI/SLC NAND产品的扩展认证也在密切进行中。

  作为汽車電子的新兴与主力发展方向,车载接入系统是不可或缺的一部分,从车身来说,有车载以太网,从对外的连接来看, 有无线接入、5G接入等。兆易创新提供全新一代高速产品系列,可显著提高数据吞吐率,主要面向车载、人工智能和物聯網等需要将大容量代码快速读取、保证系统上电后及时响应的应用。

  兆易创新致力于提供一站式服务,并拥有丰富的技术专利,涵盖 NOR Flash、 NAND Flash、 MCU 等芯片关键技术领域,并在灵活度和产品更新度上体现竞争优势,在产品性能、功能定义上实现创新。

  參考文獻

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  本文來源于科技期刊《電子産品世界》2019年第8期第8頁,歡迎您寫論文時引用,並注明出處



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