后摩尔时代,车用芯片设计的动能和创新亮点

2022-10-18 12:26:59 来源:EETOP

汽车问世后的一百多年内,人类不断创新并颠覆它的出行方式,自动驾驶在最近十年成为新的风口。尽管目前燃油车的销量更高,但人们对电动车的青睐正在逐渐提高。今年上半年,电动车品牌的存在感被大大刷新,销售量更是大放异彩。其中特斯拉上半年的电动车销量高达46-56万台,相较去年同期大幅增长,全球销量排名更是从去年的22名上升至17名左右。比亚迪的销量更为惊人,纯电和混电汽车的总销量在今年上半年达到了64万辆,相较去年同期增长了1.6倍。其中纯电动车的销量约为32-33万辆,相较去年同期暴增2.5倍,全球汽车销量排名更是攀升至第14名。

从燃油汽车到电动汽车,再到自动驾驶,汽车的数字化演进主要得益于新兴驾驶辅助系统的不断提升,以及汽车芯片的迭代更新,由此出现了更高的自驾等级和不断精进的AI算法。近期,EETOP 独家专访了华邦电子闪存产品企划处技术副理黄仲宇,他指出:“随着汽车不断地数字化演进,信息流的数据存储以及传输的需求越来越高,这要求车用芯片开发商开发具备高效计算功能的芯片来应对智能汽车产生的大量信息流”。

过去50年,芯片行业遵循着“摩尔定律”,即在价格不变的情况下,集成在芯片上的晶体管数量每隔18到 24个月将增加一倍,计算成本呈指数型下降。但随着工艺从微米级到纳米级,晶体管中原子数量越来越少,种种物理极限制约着摩尔定律的进一步发展。进入“后摩尔时代”,如何延续半导体的发展,是半导体同仁共同的目标。

Part.1

车用芯片的基石:存储技术

汽车芯片大致可以分为五大类:主控芯片、功率芯片、存储芯片、通信芯片和传感芯片

相对于消费级和工业级半导体,车规级半导体对产品的可靠性、一致性、安全性、稳定性和长效性等要求都有更严格的标准。目前,业界较为通用的芯片车规认证标准主要有可靠性标准AEC-Q系列、能够进一步验证道路车辆功能安全的标准ISO 26262,以及涵盖车辆供应链与车厂系统持续改善的汽车行业质量管理体系认证 IATF 16949。

随着汽车智能化的持续推进和自动驾驶产业的快速发展,越来越多的传感器和MCU被集成到系统中,汽车电子各功能单元的数据和程序存储都需要更高性能的内存。目前世界上数据存储方式可分为光存储、磁存储与半导体存储。其中半导体存储按照信息方式分类可分为易失性存储芯片和非易失性存储芯片。易失性存储芯片在所在电路断电后,将无法保存数据,代表产品有DRAM和SRAM,DRAM因功耗低而应用较广;而非易失性存储芯片(只读存储芯片)在所在电路断电后,仍保有数据,目前主流代表性产品为NAND Flash和NOR Flash。

闪存被广泛地运用到多种汽车应用,包括无线通信系统、激光雷达、胎压检测器、车上的无线充电系统、电动车电池管理系统、安全气囊系统、抬头显示器、电力管理系统、音响,还有 OTA 无线更新系统等。此外网络通信、影音娱乐、行车记录仪,以及如汽车导航、数位仪表板,驾驶监控系统等V2X 应用,甚至还包括中央网关(central gateway)和网关摄像机等,也都会用到闪存进行存储和传输。

此外,并不是每个应用只会有一个闪存。黄仲宇分享说,有的客户在ADAS 传感器里使用两颗 OctalNAND Flash,其中一颗4Gb OctalNAND用来存储SoC程序代码,另外一颗2Gb OctalNAND则是用作EDR(event data recorder,事故资料记录器),记录某些特定的行车日志。针对此类需求,黄仲宇特别推荐华邦的SpiStack系列闪存。据介绍,SpiStack可将两颗Flash包在一个封装内,可以是两颗NOR Flash、两颗NAND Flash,也可以是一颗NOR和一颗NAND。客户可以根据不同的应用偏好,选用最适合的容量以及最佳的组件。

那么这种在单个封装中堆叠两个闪存芯片的封装方式,是否会存在风险呢?黄仲宇解释说“在现今各大封测厂的封装技术演进下,芯片的堆叠、散热、走线均有对应的最佳设计方式,可大幅降低整体风险。此外,这样的封装方式还可有效缩小PCB或整体系统板面积,对那些需要小型化的产品来说非常有帮助。”

华邦的闪存类别包含了一直以来占据车用大多市场应用的Serial NOR Flash。黄仲宇介绍说:“针对即时通信以及快速上传、下载的需求,华邦电子推出了8 I/O接口的OctalNAND Flash,每秒的最高传输速度可达240MB,非常适合应用在高速传输以及低时间延迟的应用上。”

Part.2

车用芯片的全芯机会:HPC时代

当前,智能汽车正在加速进入HPC(高性能计算机)时代,一个全新的芯片市场机会正在来临。据行业预估,2022年车用HPC的市场规模将达到5.6亿美元,今后每一年都会成倍增长,到2025年大概则会达到 80.5亿美元。

随着设备不断地数字化演进,信息流的数据存储与传输的需求越来越高,OTA无线更新这一类的应用需求也越来越大。HPC的本质,是追求计算能力的极致,它通过MCU+SoC的计算平台,开始承担更多复杂功能,也将作为汽车内外大数据的中枢大脑,同时提供安全冗余和OTA管理等功能。

OTA扮演着让设备不断学习并认识新设备以及新沟通语言的媒介,通过服务器、移动通信网络和终端的网络连接,从远程云服务器下载软件更新包,最终实现终端存储数据的更新,进而改善终端功能和服务的技术。

这项技术最早应用在电脑端,后来被广泛应用在移动手机行业,近几年才开始在汽车行业里普及开来。在汽车走向数字化的过程中,OTA对于整体性能、便捷性、软硬件兼容度的提升都非常显著。因此,各家厂商都在努力地自我开发或者是寻找共同开发伙伴,以向消费者提供OTA功能。业内公认的最早采用OTA技术的是特斯拉于2012年推出的Model S,其更新范围涉及人机交互、自动驾驶、动力电池系统等模块,修补了钥匙卡漏洞、提升续航里程、改善了车辆底盘、增强了娱乐信息等,更加灵活便捷地实现了汽车功能迭代更新。

据黄仲宇介绍,特斯拉的OTA主要针对使用界面、外观模组、导航、影音娱乐系统,还有系统维护等,持续地为使用者提供同步化的软件更新,而且这些额外的通信服务也为车企带来了有别于传统盈利方式的收入。而沃尔沃和极星(Polestar)采用高通骁龙座舱平台,其OTA的更新包括系统处理速度、影像处理速度、数字信号处理速度的提升。至于索尼今年则放了大招,专门成立了索尼移动出行公司(Sony Mobility)角逐汽车市场,未来甚至可以实现车辆的远程控制。

传统汽车在发现系统缺陷后,只能通过汽车厂家将车辆召回后进行统一的系统升级。而OTA技术则可以通过远程快速地下载数据包,再进行本地更新完成缺陷修复,避免了持续数月的返厂召回带来的相关风险。各家设备供应商在有任何的软件或驱动更新需求,或是要产品的计算性能提升、UI优化,或是修正系统漏洞等需求,都可将更新传送到云端,而消费者只要通过身份认证及授权后,便可将资料下载到设备中,通过中央网关完成OTA更新,存储到汽车ECU 的内存中。

OTA的普及意味着车辆可实现常用常新,具备OTA功能才是智能网联时代的标配。黄仲宇表示:“这不单适用于自动驾驶汽车,在未来的自驾无人机或者是自驾船也都会有这样的应用。”

Part.3

制程技术的革新:异构集成与Chiplet

异构集成,无疑是制程革新的一个很不错的发展方向。车用芯片和消费类芯片一样,都在朝着高速传输的方向发展。黄仲宇分享说:“基本上具备高速芯片集成能力的异构集成封装电路,被视为后摩尔定律时代,延续半导体发展的动能和亮点。”

异构集成不是单一的技术点,而是包含使用的器件、设计、软件算法等在内的多个技术点的综合,在同一个封装系统内集成多个芯片,大大提升了系统的整体封装效果。同时,系统的总焊接点减少还可以降低系统成本、封装体积、重量以及传输时的时间延迟。这对于有限的汽车模块空间无疑是很大的助力。

异构集成的关键在于掌握先进封装技术,这也被看成是延续摩尔定律的重要路径。先进封装是采用先进的设计思路和先进的集成工艺,对芯片进行封装级重构。作为先进制程工艺的领跑者,目前台积电的异构集成电路技术已经进入了系统微缩的阶段,正在加强芯片芯片之间的连接密度以及封装尺寸的大小。不过,台积电当前也面临着两大问题,一是总成本;二是制程的精准度。黄仲宇表示,这些挑战是普适性的,所有加入这个赛道的参与者,都将面临同样的挑战。

小型化、集成化、高性能化是芯片发展的趋势。Chiplet也被称为小芯片或芯粒,是近年来芯片制造领域备受瞩目的技术路线。最早提出这个概念的,是Intel和AMD。他们最主要的目的是降低功耗,提高制程能效,尤其希望在制程工艺迈向3nm之后,还能持续推进半导体的发展。不过,目前的代工大厂似乎只是达到了物理的极限。

在3nm之后,成本的增速非常快。仅通过制程工艺的技术来实现微缩,显然是不现实的。与此同时,Chiplet仍有很多问题需要去解决,例如将不同的芯片封装到一起,散热也将是个问题。目前业内还没有完全统一的Chiplet标准,但已有产业领先者拟商议携手共同打造全新的Chiplet生态系统,此外,还需要考虑硬件整合、信号传递等问题。而且芯片集成后,一旦有一颗出现问题,那整个系统都会受到影响,因此维修代价非常高昂。也正是因为这些原因,短期内,有能力参与推进Chiplet技术的厂商少之又少,目前主要是以Intel、台积电AMD、日月光、三星和高通为主。

目前英特尔牵头的UCle联盟已建立 UCIe 1.0 标准,预计促成 Chiplet 接口规范的标准化,以形成基础架构供各种芯片互连。而作为一种开放的互连规范,业界预期 UCIe 能促成“胶水芯片”生态系统的建构,使 Chiplet 能在封装层级实现普遍互连和开放的生态系统,让业界突破摩尔定律的限制。

不过,Chiplet有别于传统封装技术,它带动的是整个产业链生态的改变。除了提升制程工艺外,它也同样有益于生产封装所需要的相关设备,甚至是相关的原物料。黄仲宇分享说:“并不是每一种芯片都非得需要用到最高最先进的制程工艺,我们将电路分割成独立的小芯片,各自强化功能,并用相对匹配的制程工艺来制作。再通过先进封装将这些芯片集成在一起才是Chiplet的目的”。正是这些先进的封装和异构集成技术大幅助力了汽车芯片的智能化发展。

Part.4

车用芯片供应链关系的新趋势

在传统的车用芯片开发流程中,各车厂在决定好自己车型所需要的功能模块、系统模块后,会选择自我开发或与tier1、tier2的系统模块开发商合作。而系统模块开发商则是通过寻找实力雄厚或是潜力很大的 ECU 厂商进行洽谈合作。至于芯片厂商,则是遵循车规的标准规范,来确保产品的质量。

这种复杂的供应链关系,在大多数的状况下是不利于芯片厂商推陈出新的。车载芯片制造商不能直接跟汽车制造商联系,这也就意味着芯片厂商并不能及时获取到市场的需求信息,不能及时捕捉到汽车市场发生的变化。而车规芯片的验证往往需要很长的时间,所以芯片厂商很难马上去针对市场做出相应改变。这也是近两年来,汽车行业出现芯片短缺的关键原因之一,由此也引发了汽车供应链关系的重构。

现在,越来越多的OEM厂商已经开始选择与芯片厂商直接合作,共同研发、设计、制造和封装芯片。此外,越来越多的车企也开始将触角延伸至芯片领域,或是与各大芯片厂商深度合作,或是直接投资各大芯片厂商,还有些车企已经成立了专门的科技公司,以此加强对包括系统模块、微控制器甚至芯片在内的全供应链的掌控能力。

对于芯片供应商来说,在与OEM厂商缔结联盟之后,双方可以对某一特定车型共同开发,打造量身定制的最适用的产品。同时,因为能及时掌握汽车市场的一手需求信息,芯片厂商也可以开发出高度相融的跨车款共用平台,不局限于仅为某一家OEM或某一款车型开发生产专用芯片。对于OEM厂商来说,这种供需合作关系也是很有吸引力的,不仅可大大提高自己对车载芯片的掌握能力,同时还能打造最独一无二且适用的产品。

不过,黄仲宇也特别指出:“这是非常理想的状态。不得不说,这些都需要时间的发酵,并不是一朝一夕就能实现的。”

结束语

近几年,V2X蜂巢式车联网正以每年30%的年复合成长率增长,预计在2027年,市场规模将会达到188 亿美元。在数字化逐渐普及之后,未来交通工具间的彼此沟通是最基本的。V2X应用的最终目标是提升行人以及行车的道路使用安全,并且通过有效的设备间沟通来改善整体交通状况、提高行车效率。所有的通信都仰赖信息流的传递、接收和解读。信息的数字化及信息流的收集和储存将是未来自驾车发展至关重要的一环。

随着数字化提升,需要存储的代码体积也越来越大,对算力水平的考验也越来越严格。不过,系统的算力取决于处理器芯片的算力。只要芯片的处理单元越多,算力就越强。黄仲宇特别解释说:“这也是为什么大家都一直往5nm、3nm等先进制程前进的原因,因为它在固定面积内可处理的运算更多更复杂。但除了处理器芯片算力增加之外,周边内存的数据传输能力也要跟着提升,这也是华邦开发高速传输闪存的原因之一。”

车载芯片不同于一般消费芯片,它需要有高规格的生产和质量验证与更严格的测试流程,满足长期稳定供货的需求,还需要有专业的背景和技术做支撑。此外,车规产品在工厂管理、测试规格以及质量验证方面甚至比工控工规产品的更为严苛。黄仲宇介绍说:“作为IDM,华邦电子有两座12寸晶圆厂。目前,台中工厂是主要的生产基地,产品线覆盖Flash和DRAM,而全新的高雄工厂今后将主攻先进DRAM,可以有效地调节产能利用率,并合理安排整个生产进程。”

如今的自动驾驶技术已经足以面对大多数的应用场景了,但是仍有一些需要被进一步讨论,包括它的流程以及法律规范等议题,特别是在半自动驾驶阶段的肇事责任归属与赔偿,将会是一个待长时间研究讨论的法律课题。未来的改变并不是单一项目或是单一汽车品牌就能做到的,它是汽车产业整个生态链的改变,包括汽车生产、再生能源和材料、信息数字化等等。当然,在提升行车效率之后,自动驾驶还将会改善整体使用环境,免去不必要的能源浪费。

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