看汽車IC市場風(fēng)云變幻

前言

企業(yè)競爭正在占據(jù)汽車IC這個(gè)不斷增長的市場份額，但事實(shí)并非如此簡單。

汽車電子市場正在蓬勃發(fā)展，它已經(jīng)引起了全球芯片制造商和各初創(chuàng)公司的爭奪。

然而越來越明顯的是，并非所有人都了解汽車與手機(jī)市場的差異。手機(jī)仍然是半導(dǎo)體產(chǎn)量最高的市場，但增長趨于平緩。相比之下，汽車電子市場的價(jià)值正在快速上升，更多的芯片制造商正在試圖分一杯羹。

“大家都認(rèn)為汽車是下一個(gè)大的市場，”Semico Research總裁Jim Feldhan說。 “如果你位居高位，例如Nvidia，英特爾，AMD和其他從事高端計(jì)算的人，你一定正在研究自動(dòng)駕駛和人工智能，'他們每年制造的汽車數(shù)量超過1.2億輛。有一天，他們通過自動(dòng)駕駛系統(tǒng)將擁有相當(dāng)于多臺(tái)服務(wù)器的功能。這需要很大的計(jì)算能力。'“

Semico預(yù)測，到2023年，半導(dǎo)體行業(yè)的汽車市場部分將增長到730億美元。雖然可能需要很長一段時(shí)間才會(huì)有完全自主的第5級(jí)車輛上路，但3級(jí)特斯拉卻已經(jīng)擁有非常高端的計(jì)算能力。

“除此之外，它還有存儲(chǔ)，模擬，以及一堆電源和傳感器產(chǎn)品，”Feldhan說道，“然后你看看連接器和嘗試連接智慧城市的汽車，或車輛間通信，所有的東西都圍繞安全和交通控制。這些都基本上就像花哨的手機(jī)，而我們已經(jīng)成為熱點(diǎn)。所以你有一個(gè)移動(dòng)熱點(diǎn)，你不必停在星巴克來蹭WiFi。“

信息娛樂仍然是汽車之間很大的區(qū)別。但是，無論是作為警報(bào)系統(tǒng)的一部分還是作為其他部件的故障切換，隨著這些系統(tǒng)越來越多地被納入安全領(lǐng)域，它們都受到與發(fā)動(dòng)機(jī)控制電子設(shè)備一樣嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)約束。汽車原始設(shè)備制造商設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)是15年每十億部件零缺陷，考慮到大部分必須在極端條件下發(fā)生，這尤其令人生畏。

汽車與手機(jī)行業(yè)IC不同之處在哪

三星和蘋果等公司的大量蜂窩芯片設(shè)計(jì)占據(jù)了設(shè)計(jì)的前沿。

“從大多數(shù)情況來看，16nm一直是最前沿的和性能最好的。”Synopsys設(shè)計(jì)集團(tuán)營銷總監(jiān)Mary Ann White表示，“顯然有10nm，或者是8nm版本的手機(jī)現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)了，但他們立刻跳轉(zhuǎn)到finFET或任何最新的進(jìn)程節(jié)點(diǎn)，他們現(xiàn)在可能已經(jīng)完成了5nm和3nm的流片。移動(dòng)設(shè)備和汽車之間的最大區(qū)別在于，當(dāng)涉及到手機(jī)和圖形時(shí)，消費(fèi)者需要最新和最好的產(chǎn)品。而在汽車領(lǐng)域，如傳感器，它仍然是150納米，而且沒有理由轉(zhuǎn)向7納米。鑒于此，汽車設(shè)計(jì)需要大量冗余，設(shè)計(jì)尺寸和面積不會(huì)產(chǎn)生太大的影響。這并不像在手機(jī)上那樣令人擔(dān)憂。“

在手機(jī)市場中，頻率和速度就是一切，移動(dòng)設(shè)備的設(shè)計(jì)頻率經(jīng)常達(dá)到3 GHz。而在汽車中，頻率差別是很大的?，F(xiàn)在至少在某一方面，這兩個(gè)市場正在融合。“現(xiàn)在你把那些非常低頻率的東西帶到類似手機(jī)的東西，因?yàn)槟悻F(xiàn)在正在建造5G連接的汽車。” White說，“所以突然間，它變得像手機(jī)一樣。”

移動(dòng)設(shè)備和汽車在電壓方面差別也很大。在移動(dòng)應(yīng)用中，電壓必須非常低才能延長電池壽命。“1.8V是一種擴(kuò)展，但肯定的是至少將達(dá)到0.5V-Vdd的一半，等等。”White說，“相反，汽車內(nèi)部總是存在高壓，而且許多汽車半導(dǎo)體存在非常多的模擬電路，因此設(shè)備必須能在很寬的電壓范圍內(nèi)正常運(yùn)行。”

汽車芯片也必須在很寬的溫度范圍內(nèi)運(yùn)行(-40°C至155°C，移動(dòng)設(shè)備為0至40°C)，并且它們必須持續(xù)運(yùn)行至少15年，而用于手機(jī)的芯片只需要求持續(xù)工作不到3年。

圖1：移動(dòng)設(shè)備IC與汽車IC要求要求的比較

此外，汽車的故障率需要顯著低于移動(dòng)設(shè)備。 “手機(jī)供應(yīng)商要求故障率不到10%，”懷特說，“ISO 26262標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定汽車至少要用10年，但我們現(xiàn)在看到的客戶需求是15到20年間，每十億零部件少于1個(gè)缺陷(1 DPPB)。如果您的手機(jī)重置并開啟，沒問題，你不會(huì)受傷。但想象一下如果你的車需要重置，那是不可能的。“

汽車IC道阻且長

然而，移動(dòng)電子產(chǎn)品的機(jī)遇正在趨于平緩，而汽車領(lǐng)域的機(jī)會(huì)正在擴(kuò)大。

2004年，工廠安裝的動(dòng)力座椅采用率為50%或更低，只有四分之一的汽車安裝了安全氣囊。政府的法規(guī)推動(dòng)了現(xiàn)今安裝在車輛中的安全相關(guān)功能的采用。

如今，電子/電氣(EE)系統(tǒng)的市場正在急劇增長，但它對(duì)產(chǎn)品穩(wěn)定性和完美性的要求要高得多。

圖2：工廠安裝的設(shè)備量快速增長

“如果你正在設(shè)計(jì)制作消費(fèi)產(chǎn)品，如果它有一個(gè)小問題，你就會(huì)對(duì)它進(jìn)行轉(zhuǎn)換，然后在六個(gè)月到八個(gè)月內(nèi)推出另一款產(chǎn)品。”Semico Feldhan說道，“這在汽車行業(yè)是行不通的，汽車的設(shè)計(jì)周期要長得多，而且要求必須完美。此外，一旦你忽略跳過所有這些問題，那么該產(chǎn)品通常會(huì)在那里停留很長一段時(shí)間，這也意味著你必須堅(jiān)持這種設(shè)計(jì)多年。如果你是設(shè)計(jì)的是一個(gè)消費(fèi)產(chǎn)品，并且在幾年內(nèi)你已經(jīng)廢棄了那一部分功能，那么你可能還有其他三部分超過了這個(gè)功能。“

最重要的是，消費(fèi)者希望他們無論在家中還是在辦公室，汽車連接具有相同的安全性，可靠性和高性能。目前很多廠家正在開發(fā)一些創(chuàng)新方法來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。例如，Marvell正在基于連接支持芯片和構(gòu)建模塊(如1000BaseT以太網(wǎng)PHY，支持802.11ac和802.11p的WiFi設(shè)備)以及藍(lán)牙PHY和安全的千兆以太網(wǎng)，為車內(nèi)外開發(fā)雙并發(fā)Wi-Fi開關(guān)。

“當(dāng)我們在汽車中引入組合WiFi /藍(lán)牙時(shí)，我們開創(chuàng)了移動(dòng)熱點(diǎn)先河。”Marvell連接業(yè)務(wù)集團(tuán)技術(shù)營銷總監(jiān)Avinash Ghirnikar說，“然后我們通過WiFi引入后座娛樂。在安全性，可靠性和速度方面，客戶希望他們在家或在工作中擁有相同的體驗(yàn)。他們擁有802.11ax的最新最好的智能手機(jī)在家庭和辦公室都很出色，但是當(dāng)它們帶入汽車時(shí)，它會(huì)運(yùn)行緩慢。為什么會(huì)這樣?因?yàn)槟切┦撬麄儾幌胍臇|西。這是802.11ax將發(fā)揮重要作用的原因之一。在汽車環(huán)境中提供這種無縫的WiFi體驗(yàn)確實(shí)變得具有挑戰(zhàn)性。路上有很多車，你必須要在汽車駕駛艙內(nèi)處理這些事情。這就是802.11ax優(yōu)秀的一點(diǎn)。“

汽車IC現(xiàn)代化

如今，傳統(tǒng)的汽車IC設(shè)計(jì)也在發(fā)生變化。

“如果我們看一下傳統(tǒng)上可能是容量最大，最復(fù)雜芯片的微控制器，我們可以看到車輛周圍約有100個(gè)ECU，每個(gè)都有一個(gè)微控制器，可能有16兆字節(jié)的閃存。”西門子公司Mentor汽車銷售總監(jiān)Andrew Macleod說，“其中一些東西嵌入了閃存芯片，通信外設(shè)，CAN，以太網(wǎng) - 通常是單核。世界上可能有五六家IC集團(tuán)在設(shè)計(jì)零缺陷芯片，他們在這方面非常專業(yè)，并且具有設(shè)計(jì)規(guī)則檢查和測試方法，以合適的缺陷率制造這些部件。這就是我們在過去15年中所看到的，而且這一點(diǎn)已經(jīng)得到了很好的解釋。世界是由汽車的大趨勢推動(dòng)的，即自動(dòng)化和電氣化。我們看到從帶有微控制器的100到120個(gè)ECU轉(zhuǎn)向車輛中的這些大型域控制器，這在設(shè)計(jì)方面是完全不同的挑戰(zhàn)。這意味著不是看一個(gè)相對(duì)簡單的微控制器芯片，而是使用AI芯片和GPU以及ASIC來管理大規(guī)模計(jì)算和低功耗要求，這與簡單的微控制器芯片正好相反。”

這為傳統(tǒng)汽車供應(yīng)鏈增加了更多的復(fù)雜性，芯片制造商將硅片銷售給第一層，然后將其集成到模塊中并將其發(fā)送給汽車制造商。

“這意味著我們必須加快開發(fā)以減少這些芯片的交付時(shí)間。”MacLeod說， “突然之間供應(yīng)鏈都在尋求合作，因?yàn)槲覀兛梢詼p少開發(fā)時(shí)間的唯一方法是，在仿真器中運(yùn)行一些IP，并在硅從晶元出現(xiàn)之前之前一年或更長時(shí)間為其編寫軟件。您可以在仿真器中查看整個(gè)SoC或特定IP的一部分。例如，您可以將合成傳感器數(shù)據(jù)(尤其是用于自動(dòng)車輛傳感器融合芯片的數(shù)據(jù))輸入仿真器。然后，您可以輸出到某種模擬車輛行為的工具，因此即使在任何硅片之前，您都可以測試IP，測試算法，看看它如何響應(yīng)傳感器數(shù)據(jù)并實(shí)際看到車輛動(dòng)態(tài)響應(yīng)于此。這對(duì)供應(yīng)鏈來說是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，因?yàn)槠囍圃焐态F(xiàn)在正在設(shè)計(jì)自己的IC。特斯拉公開說過幾次。雖然一些Tier Ones正在設(shè)計(jì)IC，但他們也必須更多地參與軟件開發(fā)。大陸購買Elektrobit就是一個(gè)很好的例子。此外，IC工廠現(xiàn)在正在做電子控制單元。“

一個(gè)懸而未決的問題是供應(yīng)鏈中的每個(gè)參與者如何增加價(jià)值。

“合作模式將成為前進(jìn)的方向。”Macleod 指出，“在既是競爭對(duì)手又是彼此客戶的公司之間，我們?nèi)绾喂蚕碇R(shí)產(chǎn)權(quán)?又如何衡量這些的?“

一個(gè)與從前不同的汽車市場

汽車設(shè)計(jì)最佳實(shí)踐和成本控制是整個(gè)半導(dǎo)體行業(yè)的一項(xiàng)重要工作。

Cadence定制IC和PCB集團(tuán)高級(jí)集團(tuán)總監(jiān)Ian Dennison指出了一些需要考慮的變化。其中一項(xiàng)涉及可靠性，其中最佳實(shí)踐是在模擬和數(shù)字模擬的預(yù)期車輛15年壽命期間減輕互連電遷移和晶體管老化。但是，在車輛的使用壽命期間，IC仍然有可能失效，可能是因?yàn)槟晗?，可能是因?yàn)闈撛诘闹圃烊毕?，或者可能是因?yàn)檐囕v中遇到異常的熱應(yīng)力或電磁干擾。

無論原因如何，Dennison表示IC必須能夠檢測并發(fā)出信號(hào)故障，以此來挽救生命，例如切換到復(fù)制功能，或?qū)④囕v轉(zhuǎn)移到故障安全模式。為了能夠在現(xiàn)代汽車市場發(fā)展市場，半導(dǎo)體供應(yīng)商需要對(duì)其IC進(jìn)行ASIL評(píng)級(jí)，以對(duì)其芯片故障檢測范圍分等級(jí)。

邏輯上的故障檢查通常通過軟件診斷，LBIST / MBIST和三重投票觸發(fā)器來實(shí)現(xiàn)，但是對(duì)于模擬電路，通常需要專門的硅檢查器，它具有對(duì)模擬功能的深入了解。這為模擬模塊增加了相當(dāng)多的設(shè)計(jì)時(shí)間和空間。自檢芯片的設(shè)計(jì)具有自動(dòng)化功能，但在ASIL過程中也有專業(yè)判斷的手動(dòng)步驟和要求。最終，半導(dǎo)體供應(yīng)商需要與ISO 26262 / ASIL審核員坐下來處理檢測結(jié)果，實(shí)際上審核組織也在IC設(shè)計(jì)過程中提供咨詢服務(wù)。

此外，半導(dǎo)體公司需要了解他們的汽車客戶。Dennison說：“例如，他們是否期望ASIL D部件(最高評(píng)級(jí))需要大量額外投資，或者他們是否會(huì)接受ASIL B部件并通過其系統(tǒng)中的IC復(fù)制和冗余從其審核員那里尋求更高的ASIL評(píng)級(jí)?隨著行業(yè)將ISO 26262的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變?yōu)橹髁?，制定這些責(zé)任并降低成本正在進(jìn)行中。”

“當(dāng)汽車中的電子設(shè)備只是同步門鎖/解鎖和窗戶的中央控制時(shí)，沒有人擔(dān)心出問題因?yàn)榇蠖鄶?shù)問題都可以通過手動(dòng)操作來克服，直到可以進(jìn)行維修。”OneSpin Solutions公司的技術(shù)營銷顧問Tom Anderson說， “電子儀表板將可靠性要求提高了一個(gè)檔次，因?yàn)閹缀醪豢赡荞{駛沒有顯示器的汽車。電子巡航控制對(duì)安全要求具有類似的影響，因?yàn)橐恍┕收夏Ｊ?例如恒定加速)可能非常危險(xiǎn)。如今，用于危險(xiǎn)檢測和平行停車等功能的先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)已經(jīng)變得非常普遍。隨著駕駛員開始依賴這種系統(tǒng)，必須提高可靠性和安全性。“

這個(gè)問題對(duì)自動(dòng)駕駛車輛要求尤其嚴(yán)格。

“最近的撞車事件表明了當(dāng)前技術(shù)的局限性以及駕駛員將所有控制權(quán)轉(zhuǎn)交給不完善系統(tǒng)的意愿。”Anderson說，“一些沒有按照制造商的指示一直保持手動(dòng)控制的人已經(jīng)付出了生命。雖然真正的自動(dòng)駕駛汽車仍然是未來的產(chǎn)品，但毫無疑問，許多消費(fèi)者都希望有這種技術(shù)，并且許多制造商正在努力提供它。作為回應(yīng)，汽車電子開發(fā)人員比以往任何時(shí)候都更關(guān)注可靠性和安全性，同時(shí)增加了汽車信任挑戰(zhàn)(芯片和系統(tǒng)工作的設(shè)計(jì)，沒有引入的后門或特洛伊木馬)和安全性(系統(tǒng)不會(huì)被外部攻擊和控制)。 ”

需求處理

汽車和航空航天等市場獨(dú)有的學(xué)科之一涉及處理和跟蹤需求。

“汽車ISO 26262標(biāo)準(zhǔn)詳細(xì)說明了'系統(tǒng)'設(shè)計(jì)和驗(yàn)證流程，其中正式規(guī)定了個(gè)別要求。”Breker 驗(yàn)證系統(tǒng)的首席營銷官Dave Kelf說，“然后，他們將具體的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證計(jì)劃要素納入各個(gè)要求的驗(yàn)證范圍，并反饋到原始計(jì)劃中。這是任何開發(fā)工作的優(yōu)秀實(shí)踐。眾所周知的V模型展示了這種性質(zhì)可以有效地發(fā)生，其概念要求被分解為詳細(xì)的特征，然后抽象驗(yàn)證計(jì)劃以允許根據(jù)高級(jí)計(jì)劃要素來衡量覆蓋度量。”

這個(gè)過程正在變得自動(dòng)化，新的驗(yàn)證技術(shù)可以提供幫助。 “所有的驗(yàn)證工具必須在這些設(shè)計(jì)上承擔(dān)所需的覆蓋水平。”Kelf說， “確保所有引擎都正確使用，并且這些引擎中的覆蓋度指標(biāo)復(fù)合到可能根據(jù)需求進(jìn)行衡量的水平，需要一種便攜，抽象的測試和覆蓋方法。 Portable Stimulus是一種理想用于此目的的新方法，可以在可執(zhí)行規(guī)范中詳細(xì)說明需求，然后將高級(jí)約束應(yīng)用于此規(guī)范，以驅(qū)動(dòng)每個(gè)驗(yàn)證工具和流程階段的各個(gè)方案測試。然后可以測量便攜式刺激規(guī)范中的抽象路徑覆蓋，提供ISO 26262要求的精確度量。要求可以用可執(zhí)行的規(guī)范方式編碼，覆蓋范圍直接應(yīng)用于它們。

小結(jié)

即使有許多問題需要解決，許多方法都要解決，汽車IC設(shè)計(jì)也開始與系統(tǒng)設(shè)計(jì)融合。

“這些是10年前不同的世界，”Mentor的麥克勞德觀察到，“今天，從IC的角度來看，你幾乎仿效了看起來像ECU的部分。這幾乎是ECU類型的行為，其中包含RTL位和IP位。系統(tǒng)設(shè)計(jì)和測試，IP比特，預(yù)芯片方式，在車輛架構(gòu)，AUTOSAR和機(jī)器學(xué)習(xí)算法等方面意味著什么?我們將會(huì)看到這些線條模糊不清，看看供應(yīng)鏈如何應(yīng)對(duì)這一點(diǎn)將會(huì)非常有趣。汽車制造商想要弄清楚供應(yīng)鏈如何更好地協(xié)作。原始設(shè)備制造商希望專注于車輛的一部分。他們可能不想設(shè)計(jì)每個(gè)芯片或每個(gè)ECU，但是對(duì)于傳感器融合他們確實(shí)想要設(shè)計(jì)他們自己的定制芯片，并且他們希望Tier Ones專注于其他東西。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，必須進(jìn)行協(xié)作，因?yàn)檫@些系統(tǒng)不能與自動(dòng)駕駛汽車隔離運(yùn)行。他們必須成為系統(tǒng)的一部分。并且完成所有這些預(yù)制硅并不是一項(xiàng)微不足道的任務(wù)。“

雖然前十大半導(dǎo)體公司中的一些已經(jīng)知道ISO 26262是什么，但其他公司正在轉(zhuǎn)向汽車世界。他們現(xiàn)在正在嘗試確定是否符合ISO 26262標(biāo)準(zhǔn)。

“你不一定非要遵循ISO 26262這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，”Synopsys公司的White說。 “這不像原始設(shè)備制造商說的那樣。但最好是合規(guī)，因?yàn)槟阏故玖四愀欉^程的可追溯性，以確保EE系統(tǒng)是安全的，不會(huì)對(duì)人類造成傷害。“

注：以上為21ic翻譯，不足之處還請指正。原作者為Ann Steffora Mutschler，請點(diǎn)此查看原文。