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            后摩爾時代,車用芯片設計的動能和創新亮點

            2022-10-18 12:26:59 來源:EETOP

            汽車問世后的一百多年內,人類不斷創新并顛覆它的出行方式,自動駕駛在最近十年成為新的風口。盡管目前燃油車的銷量更高,但人們對電動車的青睞正在逐漸提高。今年上半年,電動車品牌的存在感被大大刷新,銷售量更是大放異彩。其中特斯拉上半年的電動車銷量高達46-56萬臺,相較去年同期大幅增長,全球銷量排名更是從去年的22名上升至17名左右。比亞迪的銷量更為驚人,純電和混電汽車的總銷量在今年上半年達到了64萬輛,相較去年同期增長了1.6倍。其中純電動車的銷量約為32-33萬輛,相較去年同期暴增2.5倍,全球汽車銷量排名更是攀升至第14名。

            從燃油汽車到電動汽車,再到自動駕駛,汽車的數字化演進主要得益于新興駕駛輔助系統的不斷提升,以及汽車芯片的迭代更新,由此出現了更高的自駕等級和不斷精進的AI算法。近期,EETOP 獨家專訪了華邦電子閃存產品企劃處技術副理黃仲宇,他指出:“隨著汽車不斷地數字化演進,信息流的數據存儲以及傳輸的需求越來越高,這要求車用芯片開發商開發具備高效計算功能的芯片來應對智能汽車產生的大量信息流”。

            過去50年,芯片行業遵循著“摩爾定律”,即在價格不變的情況下,集成在芯片上的晶體管數量每隔18到 24個月將增加一倍,計算成本呈指數型下降。但隨著工藝從微米級到納米級,晶體管中原子數量越來越少,種種物理極限制約著摩爾定律的進一步發展。進入“后摩爾時代”,如何延續半導體的發展,是半導體同仁共同的目標。

            Part.1

            車用芯片的基石:存儲技術

            汽車芯片大致可以分為五大類:主控芯片、功率芯片、存儲芯片、通信芯片和傳感芯片。

            相對于消費級和工業級半導體,車規級半導體對產品的可靠性、一致性、安全性、穩定性和長效性等要求都有更嚴格的標準。目前,業界較為通用的芯片車規認證標準主要有可靠性標準AEC-Q系列、能夠進一步驗證道路車輛功能安全的標準ISO 26262,以及涵蓋車輛供應鏈與車廠系統持續改善的汽車行業質量管理體系認證 IATF 16949。

            隨著汽車智能化的持續推進和自動駕駛產業的快速發展,越來越多的傳感器和MCU被集成到系統中,汽車電子各功能單元的數據和程序存儲都需要更高性能的內存。目前世界上數據存儲方式可分為光存儲、磁存儲與半導體存儲。其中半導體存儲按照信息方式分類可分為易失性存儲芯片和非易失性存儲芯片。易失性存儲芯片在所在電路斷電后,將無法保存數據,代表產品有DRAM和SRAM,DRAM因功耗低而應用較廣;而非易失性存儲芯片(只讀存儲芯片)在所在電路斷電后,仍保有數據,目前主流代表性產品為NAND Flash和NOR Flash。

            閃存被廣泛地運用到多種汽車應用,包括無線通信系統、激光雷達、胎壓檢測器、車上的無線充電系統、電動車電池管理系統、安全氣囊系統、抬頭顯示器、電力管理系統、音響,還有 OTA 無線更新系統等。此外網絡通信、影音娛樂、行車記錄儀,以及如汽車導航、數位儀表板,駕駛監控系統等V2X 應用,甚至還包括中央網關(central gateway)和網關攝像機等,也都會用到閃存進行存儲和傳輸。

            此外,并不是每個應用只會有一個閃存。黃仲宇分享說,有的客戶在ADAS 傳感器里使用兩顆 OctalNAND Flash,其中一顆4Gb OctalNAND用來存儲SoC程序代碼,另外一顆2Gb OctalNAND則是用作EDR(event data recorder,事故資料記錄器),記錄某些特定的行車日志。針對此類需求,黃仲宇特別推薦華邦的SpiStack系列閃存。據介紹,SpiStack可將兩顆Flash包在一個封裝內,可以是兩顆NOR Flash、兩顆NAND Flash,也可以是一顆NOR和一顆NAND??蛻艨梢愿鶕煌膽闷?,選用最適合的容量以及最佳的組件。

            那么這種在單個封裝中堆疊兩個閃存芯片的封裝方式,是否會存在風險呢?黃仲宇解釋說“在現今各大封測廠的封裝技術演進下,芯片的堆疊、散熱、走線均有對應的最佳設計方式,可大幅降低整體風險。此外,這樣的封裝方式還可有效縮小PCB或整體系統板面積,對那些需要小型化的產品來說非常有幫助?!?/span>

            華邦的閃存類別包含了一直以來占據車用大多市場應用的Serial NOR Flash。黃仲宇介紹說:“針對即時通信以及快速上傳、下載的需求,華邦電子推出了8 I/O接口的OctalNAND Flash,每秒的最高傳輸速度可達240MB,非常適合應用在高速傳輸以及低時間延遲的應用上?!?/span>

            Part.2

            車用芯片的全芯機會:HPC時代

            當前,智能汽車正在加速進入HPC(高性能計算機)時代,一個全新的芯片市場機會正在來臨。據行業預估,2022年車用HPC的市場規模將達到5.6億美元,今后每一年都會成倍增長,到2025年大概則會達到 80.5億美元。

            隨著設備不斷地數字化演進,信息流的數據存儲與傳輸的需求越來越高,OTA無線更新這一類的應用需求也越來越大。HPC的本質,是追求計算能力的極致,它通過MCU+SoC的計算平臺,開始承擔更多復雜功能,也將作為汽車內外大數據的中樞大腦,同時提供安全冗余和OTA管理等功能。

            OTA扮演著讓設備不斷學習并認識新設備以及新溝通語言的媒介,通過服務器、移動通信網絡和終端的網絡連接,從遠程云服務器下載軟件更新包,最終實現終端存儲數據的更新,進而改善終端功能和服務的技術。

            這項技術最早應用在電腦端,后來被廣泛應用在移動手機行業,近幾年才開始在汽車行業里普及開來。在汽車走向數字化的過程中,OTA對于整體性能、便捷性、軟硬件兼容度的提升都非常顯著。因此,各家廠商都在努力地自我開發或者是尋找共同開發伙伴,以向消費者提供OTA功能。業內公認的最早采用OTA技術的是特斯拉于2012年推出的Model S,其更新范圍涉及人機交互、自動駕駛、動力電池系統等模塊,修補了鑰匙卡漏洞、提升續航里程、改善了車輛底盤、增強了娛樂信息等,更加靈活便捷地實現了汽車功能迭代更新。

            據黃仲宇介紹,特斯拉的OTA主要針對使用界面、外觀模組、導航、影音娛樂系統,還有系統維護等,持續地為使用者提供同步化的軟件更新,而且這些額外的通信服務也為車企帶來了有別于傳統盈利方式的收入。而沃爾沃和極星(Polestar)采用高通驍龍座艙平臺,其OTA的更新包括系統處理速度、影像處理速度、數字信號處理速度的提升。至于索尼今年則放了大招,專門成立了索尼移動出行公司(Sony Mobility)角逐汽車市場,未來甚至可以實現車輛的遠程控制。

            傳統汽車在發現系統缺陷后,只能通過汽車廠家將車輛召回后進行統一的系統升級。而OTA技術則可以通過遠程快速地下載數據包,再進行本地更新完成缺陷修復,避免了持續數月的返廠召回帶來的相關風險。各家設備供應商在有任何的軟件或驅動更新需求,或是要產品的計算性能提升、UI優化,或是修正系統漏洞等需求,都可將更新傳送到云端,而消費者只要通過身份認證及授權后,便可將資料下載到設備中,通過中央網關完成OTA更新,存儲到汽車ECU 的內存中。

            OTA的普及意味著車輛可實現常用常新,具備OTA功能才是智能網聯時代的標配。黃仲宇表示:“這不單適用于自動駕駛汽車,在未來的自駕無人機或者是自駕船也都會有這樣的應用?!?/span>

            Part.3

            制程技術的革新:異構集成與Chiplet

            異構集成,無疑是制程革新的一個很不錯的發展方向。車用芯片和消費類芯片一樣,都在朝著高速傳輸的方向發展。黃仲宇分享說:“基本上具備高速芯片集成能力的異構集成封裝電路,被視為后摩爾定律時代,延續半導體發展的動能和亮點?!?/span>

            異構集成不是單一的技術點,而是包含使用的器件、設計、軟件算法等在內的多個技術點的綜合,在同一個封裝系統內集成多個芯片,大大提升了系統的整體封裝效果。同時,系統的總焊接點減少還可以降低系統成本、封裝體積、重量以及傳輸時的時間延遲。這對于有限的汽車模塊空間無疑是很大的助力。

            異構集成的關鍵在于掌握先進封裝技術,這也被看成是延續摩爾定律的重要路徑。先進封裝是采用先進的設計思路和先進的集成工藝,對芯片進行封裝級重構。作為先進制程工藝的領跑者,目前臺積電的異構集成電路技術已經進入了系統微縮的階段,正在加強芯片芯片之間的連接密度以及封裝尺寸的大小。不過,臺積電當前也面臨著兩大問題,一是總成本;二是制程的精準度。黃仲宇表示,這些挑戰是普適性的,所有加入這個賽道的參與者,都將面臨同樣的挑戰。

            小型化、集成化、高性能化是芯片發展的趨勢。Chiplet也被稱為小芯片或芯粒,是近年來芯片制造領域備受矚目的技術路線。最早提出這個概念的,是Intel和AMD。他們最主要的目的是降低功耗,提高制程能效,尤其希望在制程工藝邁向3nm之后,還能持續推進半導體的發展。不過,目前的代工大廠似乎只是達到了物理的極限。

            在3nm之后,成本的增速非???。僅通過制程工藝的技術來實現微縮,顯然是不現實的。與此同時,Chiplet仍有很多問題需要去解決,例如將不同的芯片封裝到一起,散熱也將是個問題。目前業內還沒有完全統一的Chiplet標準,但已有產業領先者擬商議攜手共同打造全新的Chiplet生態系統,此外,還需要考慮硬件整合、信號傳遞等問題。而且芯片集成后,一旦有一顆出現問題,那整個系統都會受到影響,因此維修代價非常高昂。也正是因為這些原因,短期內,有能力參與推進Chiplet技術的廠商少之又少,目前主要是以Intel、臺積電、AMD、日月光、三星和高通為主。

            目前英特爾牽頭的UCle聯盟已建立 UCIe 1.0 標準,預計促成 Chiplet 接口規范的標準化,以形成基礎架構供各種芯片互連。而作為一種開放的互連規范,業界預期 UCIe 能促成“膠水芯片”生態系統的建構,使 Chiplet 能在封裝層級實現普遍互連和開放的生態系統,讓業界突破摩爾定律的限制。

            不過,Chiplet有別于傳統封裝技術,它帶動的是整個產業鏈生態的改變。除了提升制程工藝外,它也同樣有益于生產封裝所需要的相關設備,甚至是相關的原物料。黃仲宇分享說:“并不是每一種芯片都非得需要用到最高最先進的制程工藝,我們將電路分割成獨立的小芯片,各自強化功能,并用相對匹配的制程工藝來制作。再通過先進封裝將這些芯片集成在一起才是Chiplet的目的”。正是這些先進的封裝和異構集成技術大幅助力了汽車芯片的智能化發展。

            Part.4

            車用芯片供應鏈關系的新趨勢

            在傳統的車用芯片開發流程中,各車廠在決定好自己車型所需要的功能模塊、系統模塊后,會選擇自我開發或與tier1、tier2的系統模塊開發商合作。而系統模塊開發商則是通過尋找實力雄厚或是潛力很大的 ECU 廠商進行洽談合作。至于芯片廠商,則是遵循車規的標準規范,來確保產品的質量。

            這種復雜的供應鏈關系,在大多數的狀況下是不利于芯片廠商推陳出新的。車載芯片制造商不能直接跟汽車制造商聯系,這也就意味著芯片廠商并不能及時獲取到市場的需求信息,不能及時捕捉到汽車市場發生的變化。而車規芯片的驗證往往需要很長的時間,所以芯片廠商很難馬上去針對市場做出相應改變。這也是近兩年來,汽車行業出現芯片短缺的關鍵原因之一,由此也引發了汽車供應鏈關系的重構。

            現在,越來越多的OEM廠商已經開始選擇與芯片廠商直接合作,共同研發、設計、制造和封裝芯片。此外,越來越多的車企也開始將觸角延伸至芯片領域,或是與各大芯片廠商深度合作,或是直接投資各大芯片廠商,還有些車企已經成立了專門的科技公司,以此加強對包括系統模塊、微控制器甚至芯片在內的全供應鏈的掌控能力。

            對于芯片供應商來說,在與OEM廠商締結聯盟之后,雙方可以對某一特定車型共同開發,打造量身定制的最適用的產品。同時,因為能及時掌握汽車市場的一手需求信息,芯片廠商也可以開發出高度相融的跨車款共用平臺,不局限于僅為某一家OEM或某一款車型開發生產專用芯片。對于OEM廠商來說,這種供需合作關系也是很有吸引力的,不僅可大大提高自己對車載芯片的掌握能力,同時還能打造最獨一無二且適用的產品。

            不過,黃仲宇也特別指出:“這是非常理想的狀態。不得不說,這些都需要時間的發酵,并不是一朝一夕就能實現的?!?/span>

            結束語

            近幾年,V2X蜂巢式車聯網正以每年30%的年復合成長率增長,預計在2027年,市場規模將會達到188 億美元。在數字化逐漸普及之后,未來交通工具間的彼此溝通是最基本的。V2X應用的最終目標是提升行人以及行車的道路使用安全,并且通過有效的設備間溝通來改善整體交通狀況、提高行車效率。所有的通信都仰賴信息流的傳遞、接收和解讀。信息的數字化及信息流的收集和儲存將是未來自駕車發展至關重要的一環。

            隨著數字化提升,需要存儲的代碼體積也越來越大,對算力水平的考驗也越來越嚴格。不過,系統的算力取決于處理器芯片的算力。只要芯片的處理單元越多,算力就越強。黃仲宇特別解釋說:“這也是為什么大家都一直往5nm、3nm等先進制程前進的原因,因為它在固定面積內可處理的運算更多更復雜。但除了處理器芯片算力增加之外,周邊內存的數據傳輸能力也要跟著提升,這也是華邦開發高速傳輸閃存的原因之一?!?/span>

            車載芯片不同于一般消費芯片,它需要有高規格的生產和質量驗證與更嚴格的測試流程,滿足長期穩定供貨的需求,還需要有專業的背景和技術做支撐。此外,車規產品在工廠管理、測試規格以及質量驗證方面甚至比工控工規產品的更為嚴苛。黃仲宇介紹說:“作為IDM,華邦電子有兩座12寸晶圓廠。目前,臺中工廠是主要的生產基地,產品線覆蓋Flash和DRAM,而全新的高雄工廠今后將主攻先進DRAM,可以有效地調節產能利用率,并合理安排整個生產進程?!?/span>

            如今的自動駕駛技術已經足以面對大多數的應用場景了,但是仍有一些需要被進一步討論,包括它的流程以及法律規范等議題,特別是在半自動駕駛階段的肇事責任歸屬與賠償,將會是一個待長時間研究討論的法律課題。未來的改變并不是單一項目或是單一汽車品牌就能做到的,它是汽車產業整個生態鏈的改變,包括汽車生產、再生能源和材料、信息數字化等等。當然,在提升行車效率之后,自動駕駛還將會改善整體使用環境,免去不必要的能源浪費。

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