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车规芯片与消费电子芯片有何不同?

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    发表于 2021-3-27 21:38:50 | 显示全部楼层 |阅读模式

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    本帖最后由 sky 于 2021-3-27 21:37 编辑

    前言:消费电子芯片与车规芯片在设计时所做的考量侧重点差异较大,由此带来的工艺制程相差较大。


    一、两者的侧重点有所不同

    1、手机芯片:天下武功唯快不破

    无论是手机、平板、还是机顶盒、智能穿戴设备,消费电子的芯片在开发阶段主要考量性能、功耗、成本三个方面维度。

    在智能机时代,芯片的性能强弱已经成为衡量一款机型好坏的重要指标,无论是开黑的王者荣耀还是吃鸡的和平精英,更加强悍的CPU芯片才能带来极致的游戏体验。以高通骁龙865芯片为例,采用1*Cortex-A77(2.84GHz)+3*Cortex A77(2.42GHz )+4*Cortex-A55(1.8GHz )的架构,NPU可以实现15万亿次/秒的运算能:ISP速度达到了20亿像素/秒的处理速度,可以支持2亿像素摄像头。


    一块芯片上数十亿个晶体管在高频工作时,会产生大量的动态功耗、短路功耗和漏电功耗,如果不加以控制,不仅会出现计算错误的结果,甚至能将电路的一些部分将熔接在一起,使芯片不可修复。因此消费电子在追求性能的同时,也要考虑功耗,否则就容易机身发烫,待机时间缩短,影响使用体验。


    在芯片性能越来越强悍的同时,芯片的价格越来越贵,所占手机总成本的比例也越来越高。以高通骁龙865为例,成本在700元左右,占所搭载的机型成本比例分别为小米10pro占比14%、红米K30pro占比23%、OPPO findX2pro占比10%、三星S2ultra占比为7%;麒麟990的成本约为500元,约占华为nova6售价的16%、P40售价的10%、P40 PRO售价的7%、P40 pro plus售价的5%;联发科天玑1000的价格是280元,约占OPPO Reno3售价的9.8%;因此无论是从提高产品竞争力还是增加企业利润角度,都需要控制芯片成本。


    车规级 单片机芯片-车规芯片与消费电子芯片有何不同?risc-v单片机中文社区(1)
    不同芯片的性能排行榜

    2、汽车芯片:稳定压倒一切

    由于汽车作为交通工具的特殊性,汽车芯片非常看重可靠性、安全性和长效性!

    为什么首推可靠性?因为车规芯片:

    首先、汽车的工作环境更恶劣


    发动机舱的温度范围在-40°C~150°C之间,因此汽车芯片需要满足这种大范围温度工作范围,而消费芯片只需满足0°C~70°C工作环境。再加上汽车在行进过程中会遭遇更多的振动和冲击,以及汽车上的环境湿度、粉尘、侵蚀都远远大于消费芯片的要求。


    其次、汽车产品的设计寿命更长


    手机的生命周期在3年,最多不超过5年,而汽车设计寿命普遍都在 15 年或 20 万 公里左右,远大于消费电子产品寿命要求。因此,汽车芯片的产品生命周期要求在15年以上,而供货周期可能长达30年。


    在这样的情况下,如何保持芯片的一致性、可靠性,是车规芯片首先要考虑的问题。


    而且,汽车芯片的安全性也尤为重要


    汽车芯片安全性包括功能安全和信息安全两部分。


    手机芯片死机了可以关机重启,但是汽车芯片如果宕机了可能会造成严重的安全事故,对消费者来讲是完全没有办法接受的。所以,汽车芯片在设计的时候,从架构设计开始就要把功能安全作为车规芯片非常重要的一部分,采用独立的安全岛的设计,在关键模块、计算模块、总线、内存等等都有ECC、CRC的数据校验,包括整个生产过程都采用车规芯片的工艺,以确保车规芯片的功能安全。


    随着车联网的普及,信息安全的重要性越来越凸显出来,汽车作为一个实时在线的设备,它跟网络之间的通信,包括跟车内车载网络的通信,都需要进行数据的加密,否则可能会黑客的攻击。所以,需要事先在芯片中内置高性能的加密校验模块。


    针对功能安全,国际组织IEC发布了IEC 61508标准,并衍生出了一系列适用不同行业的功能安全标准,如下图:


    车规级 单片机芯片-车规芯片与消费电子芯片有何不同?risc-v单片机中文社区(2)

    最后,汽车芯片设计还要考虑长效性

    手机芯片的发展基本遵循摩尔定律,每年都会发布新一代芯片,每年都有新旗舰机的上市,基本上一款芯片能满足两三年内的软件系统性能需求即可。但是汽车的开发周期比较长,一款新车型从开发到上市验证至少要经过两年以上的时间,这就意味着汽车芯片设计要有前瞻性,要能满足客户在未来3到5年的一个前瞻性需求。另外,由于现在汽车上的软件越来越多,从芯片开发的角度来说,不仅仅要支持多操作系统,同时还要支持在软件上持续迭代的需求。


    因此车规级芯片呈现产业化周期漫长,供应体系门槛高的特点。


    进入汽车电子主流供应链体系需满足多项基本要求:

    • 满足北美汽车产业所推出的AEC-Q100(IC)、101(离散元件)、200 (被动零件)可靠度标准;
    • 遵从汽车电子、软件功能安全国际标准ISO 26262;
    • 符合ISO 21448预期功能安全,覆盖基于非系统失效导致的安全隐患;
    • 满足ISO21434网络安全,合理保障车辆和系统的网络安全;
    • 符合零失效的供应链品质管理标准IATF 16949规范。

    基本上一款芯片车规级的认证通常需要3-5年时间,对芯片厂商而言是极大的技术、生产、时间成本的考验。Mobileye 用了整整8年才获得第一张车企订单,英伟达当前主力芯片Xavier的研发耗资达 20 亿美元。

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    二、两者使用的工艺制程不同

    在芯片的生产过程中,缩小芯片内部电路之间的距离可以在更小的芯片中塞入更多的晶体管,让芯片的运算性能更强大,还可以带来降低功耗的效果。因此,从较早的微米,到后来的纳米,芯片都非常重视制程工艺的尺寸。不过,制程并不能无限制的缩小,当将电晶体缩小到 20 纳米左右时,就会遇到量子物理中的问题,晶体管出现漏电的现象,抵销缩小栅极长度时获得的效益。为了解决这个问题,加州大学伯克利分校的胡正明教授发明了鳍式场效应晶体管(FinFET)大幅改善电路控制并减少漏电流。


    目前,手机芯片工艺制程从较早的90纳米,到后来的65纳米、45纳米、32纳米、28纳米、16纳米、12纳、7纳米、一直发展到目前最新的5纳米。手机芯片的制程尺寸正在向1纳米进发。


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    在传统车用芯片制备中,由于汽车本身空间较大,对集成度的需求没有手机等消费电子紧迫。加上车用芯片主要集中在发电机、底盘、安全、车灯控制等低算力领域,因此汽车芯片并未像消费电子芯片一样疯狂追求先进的制程工艺,而往往优先考虑制程工艺的成熟性。不过随着汽车智能化的发展,更高级别的自动驾驶对高算力的急迫需求,将推动着汽车算力平台制程向7纳米及以下延伸。NXP打算在2021年推出基于5nm制程的下一代高性能汽车计算平台。
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    三、国产汽车芯片的未来

    曾经,汽车芯片市场由于市场规模有限,是一个非常小众的市场,因此,鲜有外来的入局者,几十年来一直被恩智浦、德州仪器、瑞萨半导体等汽车芯片巨头所垄断。随着汽车的电子化、智能化的发展,汽车电子系统市场规模逐年扩大,三星、英特尔、高通、英伟达、赛灵思等顶级芯片企业也纷纷涉足汽车芯片,同样也为我国企业创造了‘变中求机’的发展态势。


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    在功能芯片领域,上市公司中颖电子、兆易创新、东软载波都涉及汽车电子领域,但市占率极少。杰发科技于2018年收获车规级MCU芯片订单,标志国内首款通过AEC-100 Grade1的车规级MCU正式量产上市,打破国外技术垄断。

    在主控芯片领域,华为基于昇腾、昇腾、麒麟系列芯片实现了汽车智能计算平台的完整布局,地平线率先将AI芯片实现量产上车。


    在车载存储芯片领域,兆易创新与合肥长鑫密切合作,2019年推出GD25全系列SPI NOR FLASH,满足AEC-Q100标准,是目前唯一全国产化车规存储器解决方案;宏旺半导体推出eMMC/DDR/LPDDR/SSD/DIMM等嵌入式存储、移动存储,拓展汽车电子应用领域。


    在车载通信芯片领域,华为已累计为全球数百万辆汽车提供4G通信模组,5G模组也已实现量产上车;C-V2X领域,国内涌现出华为、大唐、高新兴、移远通信等为代表的一大批C-V2X芯片\模组企业,华为基带芯片Balong 765 、Balong 5000相继应用于车载单元和路边单元,大唐高鸿顺利实现C-V2X车规级模组DMD3A量产。



    国外企业高通与高新兴、移远通信等国内模组厂商广泛合作,推动C-V2X芯片组在中国的推广应用,Autotalks积极与大唐等中国厂商进行C-V2X芯片组级互操作测试。

    在功率芯片领域,MOSFET方面,闻泰科技占据全球4%的市场份额,华润微电子在国内MOSFET市场占比8.7%;IGBT方面,中国企业主要有株洲中车时代电气、比亚迪、斯达股份、上海先进等。


    车规级 单片机芯片-车规芯片与消费电子芯片有何不同?risc-v单片机中文社区(7)

    总体而言,我国芯片产业起步较晚,基础薄弱,同时车规级的开发和量产应用面临诸多制约因素。在国外的芯片巨头仍占据着中国国内的车用半导体芯片市场,国内企业在技术积累、资金、人才等方面无法与国际巨头抗衡的背景下,中国汽车芯片产业的突破和强大并非一朝一夕之功,需要立足当下,遵循产业发展的客观规律,警惕毕其功于一役的投机思维,防止出现投资过热和盲目低水平重复建设,紧抓智能网联和新能源发展机遇,才能实现从单点突破到生态突围。



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