分類
未分類

車規芯片與消費電子芯片有何不同?

前言:消費電子芯片與車規芯片在設計時所做的考量側重點差異較大,由此帶來的工藝制程相差較大。如果硬要比個高低,就好比點評《天龍八部》裡喬峰的“降龍十八掌”與《倚天屠龍記》張無忌的“九陽神功”誰更厲害一樣,實在難以周全,下面cao sir嘗試剖析一番,以饗讀者。

車規芯片與消費電子芯片有何不同?

喬峰VS令狐沖

兩者的側重點有所不同

1、手機芯片:天下武功唯快不破

無論是手機、平板、還是機頂盒、智能穿戴設備,消費電子的芯片在開發階段主要考量性能、功耗、成本三個方面維度。

在智能機時代,芯片的性能強弱已經成為衡量一款機型好壞的重要指標,無論是開黑的王者榮耀還是吃雞的和平精英,更加強悍的CPU芯片才能帶來極致的遊戲體驗。以高通驍龍865芯片為例,采用1*Cortex-A77(2.84GHz)+3*Cortex A77(2.42GHz )+4*Cortex-A55(1.8GHz )的架構,NPU可以實現15萬億次/秒的運算能:ISP速度達到瞭20億像素/秒的處理速度,可以支持2億像素攝像頭。

一塊芯片上數十億個晶體管在高頻工作時,會產生大量的動態功耗、短路功耗和漏電功耗,如果不加以控制,不僅會出現計算錯誤的結果,甚至能將電路的一些部分將熔接在一起,使芯片不可修復。因此消費電子在追求性能的同時,也要考慮功耗,否則就容易機身發燙,待機時間縮短,影響使用體驗。

在芯片性能越來越強悍的同時,芯片的價格越來越貴,所占手機總成本的比例也越來越高。以高通驍龍865為例,成本在700元左右,占所搭載的機型成本比例分別為小米10pro占比14%、紅米K30pro占比23%、OPPO findX2pro占比10%、三星S2ultra占比為7%;麒麟990的成本約為500元,約占華為nova6售價的16%、P40售價的10%、P40 PRO售價的7%、P40 pro plus售價的5%;聯發科天璣1000的價格是280元,約占OPPO Reno3售價的9.8%;因此無論是從提高產品競爭力還是增加企業利潤角度,都需要控制芯片成本。

車規芯片與消費電子芯片有何不同?

不同芯片的性能排行榜

2、汽車芯片:穩定壓倒一切

由於汽車作為交通工具的特殊性,汽車芯片非常看重可靠性、安全性和長效性!

為什麼首推可靠性?因為車規芯片:

首先、汽車的工作環境更惡劣

發動機艙的溫度范圍在-40°C~150°C之間,因此汽車芯片需要滿足這種大范圍溫度工作范圍,而消費芯片隻需滿足0°C~70°C工作環境。再加上汽車在行進過程中會遭遇更多的振動和沖擊,以及汽車上的環境濕度、粉塵、侵蝕都遠遠大於消費芯片的要求。

其次、汽車產品的設計壽命更長

手機的生命周期在3年,最多不超過5年,而汽車設計壽命普遍都在 15 年或 20 萬 公裡左右,遠大於消費電子產品壽命要求。因此,汽車芯片的產品生命周期要求在15年以上,而供貨周期可能長達30年。

在這樣的情況下,如何保持芯片的一致性、可靠性,是車規芯片首先要考慮的問題。

而且,汽車芯片的安全性也尤為重要

汽車芯片安全性包括功能安全和信息安全兩部分。

手機芯片死機瞭可以關機重啟,但是汽車芯片如果宕機瞭可能會造成嚴重的安全事故,對消費者來講是完全沒有辦法接受的。所以,汽車芯片在設計的時候,從架構設計開始就要把功能安全作為車規芯片非常重要的一部分,采用獨立的安全島的設計,在關鍵模塊、計算模塊、總線、內存等等都有ECC、CRC的數據校驗,包括整個生產過程都采用車規芯片的工藝,以確保車規芯片的功能安全。

隨著車聯網的普及,信息安全的重要性越來越凸顯出來,汽車作為一個實時在線的設備,它跟網絡之間的通信,包括跟車內車載網絡的通信,都需要進行數據的加密,否則可能會黑客的攻擊。所以,需要事先在芯片中內置高性能的加密校驗模塊。

針對功能安全,國際組織IEC發佈瞭IEC 61508標準,並衍生出瞭一系列適用不同行業的功能安全標準,如下圖:

車規芯片與消費電子芯片有何不同?

最後,汽車芯片設計還要考慮長效性

手機芯片的發展基本遵循摩爾定律,每年都會發佈新一代芯片,每年都有新旗艦機的上市,基本上一款芯片能滿足兩三年內的軟件系統性能需求即可。但是汽車的開發周期比較長,一款新車型從開發到上市驗證至少要經過兩年以上的時間,這就意味著汽車芯片設計要有前瞻性,要能滿足客戶在未來3到5年的一個前瞻性需求。另外,由於現在汽車上的軟件越來越多,從芯片開發的角度來說,不僅僅要支持多操作系統,同時還要支持在軟件上持續迭代的需求。

因此車規級芯片呈現產業化周期漫長,供應體系門檻高的特點。進入汽車電子主流供應鏈體系需滿足多項基本要求:滿足北美汽車產業所推出的AEC-Q100(IC)、101(離散元件)、200 (被動零件)可靠度標準;遵從汽車電子、軟件功能安全國際標準ISO 26262;符合ISO 21448預期功能安全,覆蓋基於非系統失效導致的安全隱患;滿足ISO21434網絡安全,合理保障車輛和系統的網絡安全;符合零失效的供應鏈品質管理標準IATF 16949規范。基本上一款芯片車規級的認證通常需要3-5年時間,對芯片廠商而言是極大的技術、生產、時間成本的考驗。Mobileye 用瞭整整8年才獲得第一張車企訂單,英偉達當前主力芯片Xavier的研發耗資達 20 億美元。

車規芯片與消費電子芯片有何不同?

兩者使用的工藝制程不同

在芯片的生產過程中,縮小芯片內部電路之間的距離可以在更小的芯片中塞入更多的晶體管,讓芯片的運算性能更強大,還可以帶來降低功耗的效果。因此,從較早的微米,到後來的納米,芯片都非常重視制程工藝的尺寸。不過,制程並不能無限制的縮小,當將電晶體縮小到 20 納米左右時,就會遇到量子物理中的問題,晶體管出現漏電的現象,抵銷縮小柵極長度時獲得的效益。為瞭解決這個問題,加州大學伯克利分校的胡正明教授發明瞭鰭式場效應晶體管(FinFET)大幅改善電路控制並減少漏電流。

目前,手機芯片工藝制程從較早的90納米,到後來的65納米、45納米、32納米、28納米、16納米、12納、7納米、一直發展到目前最新的5納米。手機芯片的制程尺寸正在向1納米進發。

車規芯片與消費電子芯片有何不同?

在傳統車用芯片制備中,由於汽車本身空間較大,對集成度的需求沒有手機等消費電子緊迫。加上車用芯片主要集中在發電機、底盤、安全、車燈控制等低算力領域,因此汽車芯片並未像消費電子芯片一樣瘋狂追求先進的制程工藝,而往往優先考慮制程工藝的成熟性。不過隨著汽車智能化的發展,更高級別的自動駕駛對高算力的急迫需求,將推動著汽車算力平臺制程向7納米及以下延伸。NXP打算在2021年推出基於5nm制程的下一代高性能汽車計算平臺。

車規芯片與消費電子芯片有何不同?

國產汽車芯片的未來

曾經,汽車芯片市場由於市場規模有限,是一個非常小眾的市場,因此,鮮有外來的入局者,幾十年來一直被恩智浦、德州儀器、瑞薩半導體等汽車芯片巨頭所壟斷。隨著汽車的電子化、智能化的發展,汽車電子系統市場規模逐年擴大,三星、英特爾、高通、英偉達、賽靈思等頂級芯片企業也紛紛涉足汽車芯片,同樣也為我國企業創造瞭‘變中求機’的發展態勢。

車規芯片與消費電子芯片有何不同?

在功能芯片領域,上市公司中穎電子、兆易創新、東軟載波都涉及汽車電子領域,但市占率極少。傑發科技於2018年收獲車規級MCU芯片訂單,標志國內首款通過AEC-100 Grade1的車規級MCU正式量產上市,打破國外技術壟斷。

在主控芯片領域,華為基於昇騰、昇騰、麒麟系列芯片實現瞭汽車智能計算平臺的完整佈局,地平線率先將AI芯片實現量產上車。

在車載存儲芯片領域,兆易創新與合肥長鑫密切合作,2019年推出GD25全系列SPI NOR FLASH,滿足AEC-Q100標準,是目前唯一全國產化車規存儲器解決方案;宏旺半導體推出eMMC/DDR/LPDDR/SSD/DIMM等嵌入式存儲、移動存儲,拓展汽車電子應用領域。

在車載通信芯片領域,華為已累計為全球數百萬輛汽車提供4G通信模組,5G模組也已實現量產上車;C-V2X領域,國內湧現出華為、大唐、高新興、移遠通信等為代表的一大批C-V2X芯片\模組企業,華為基帶芯片Balong 765 、Balong 5000相繼應用於車載單元和路邊單元,大唐高鴻順利實現C-V2X車規級模組DMD3A量產。國外企業高通與高新興、移遠通信等國內模組廠商廣泛合作,推動C-V2X芯片組在中國的推廣應用,Autotalks積極與大唐等中國廠商進行C-V2X芯片組級互操作測試。

在功率芯片領域,MOSFET方面,聞泰科技占據全球4%的市場份額,華潤微電子在國內MOSFET市場占比8.7%;IGBT方面,中國企業主要有株洲中車時代電氣、比亞迪、斯達股份、上海先進等。

車規芯片與消費電子芯片有何不同?

總體而言,我國芯片產業起步較晚,基礎薄弱,同時車規級的開發和量產應用面臨諸多制約因素。在國外的芯片巨頭仍占據著中國國內的車用半導體芯片市場,國內企業在技術積累、資金、人才等方面無法與國際巨頭抗衡的背景下,中國汽車芯片產業的突破和強大並非一朝一夕之功,需要立足當下,遵循產業發展的客觀規律,警惕畢其功於一役的投機思維,防止出現投資過熱和盲目低水平重復建設,緊抓智能網聯和新能源發展機遇,才能實現從單點突破到生態突圍。

隨著中國智能汽車市場的發展和國傢對國產芯片企業的扶持,相信:中“芯”之火,必將燎原!作者:@知乎@cao sir,來源 : 汽車電子與軟件