車規(guī)級功率器件，新時代的“當(dāng)街花旦”（下）

手機芯片：天下武功唯快不破

不管是手機，平板電腦，機頂盒還是智能穿戴設(shè)備消費電子芯片，在研發(fā)階段都會考慮性能，功耗和成本等三個方面維度。

智能機時代芯片性能強與弱成為了評價一個型號優(yōu)劣的重要標(biāo)準(zhǔn)，不管是開黑王者榮耀，還是吃雞和平精英都可以用更強的 CPU 芯片來帶來極致游戲感受。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(gòu)，NPU 可以實現(xiàn) 15 萬億次/秒的運算能：ISP速度達到了 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(shù)十億個晶體管在高頻工作時，會產(chǎn)生大量的動態(tài)功耗、短路功耗和漏電功耗，如果不加以控制，不僅會出現(xiàn)計算錯誤的結(jié)果，甚至可以把電路中某些環(huán)節(jié)會融合到一起而使得芯片無法修復(fù)。所以消費電子除了追求性能外，還要兼顧功耗問題，不然很容易出現(xiàn)機身燙手、待機時間減少、使用體驗下降等問題。

隨著芯片性能的日益強悍，芯片價格不斷上漲，在手機總成本中占據(jù)了越來越大的份額。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(lián)發(fā)科天璣1000的價格是 280 元，約占 OPPO Reno3 售價的 9.8%；所以不管是從提升產(chǎn)品的競爭力或者是提升企業(yè)利潤的角度來看，對芯片成本進行控制是非常有必要的。

汽車芯片因其交通工具的特殊性而十分注重可靠性，安全性及長效性！為何首推可靠性？由于車規(guī)芯片的特點：

1、車輛運行環(huán)境惡劣

發(fā)動機艙內(nèi)溫度區(qū)間為 -40°C~150°C，所以車輛芯片要滿足這一較大溫度運行區(qū)間，消費芯片僅要滿足 0°C~70°C 的運行環(huán)境。加之車輛行進時會遇到較多振動與沖擊，且車內(nèi)環(huán)境濕度大，粉塵大，侵蝕大等問題遠超消費芯片所需。

2、汽車產(chǎn)品的設(shè)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(shè)計壽命普遍都在 15 年或 20 萬 公里左右，遠大于消費電子產(chǎn)品壽命要求。因此，汽車芯片的產(chǎn)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(guī)芯片首先要考慮的問題。

3、安全在汽車芯片中格外重要

汽車芯片的安全主要由功能安全與信息安全兩個方面組成。手機芯片死掉可以停機重新啟動，但一旦汽車芯片宕機就有可能引發(fā)嚴(yán)重安全事故，這對于消費者而言根本無從談起。因此，在汽車芯片設(shè)計時，首先要將功能安全放在架構(gòu)設(shè)計之初就成為車規(guī)芯片中極為重要的組成部分，采用獨立的安全島的設(shè)計，在關(guān)鍵模塊、計算模塊、總線、內(nèi)存等等都有 ECC、CRC 的數(shù)據(jù)校驗，包括整個生產(chǎn)過程都采用車規(guī)芯片的工藝，以確保車規(guī)芯片的功能安全。隨著車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的推廣，信息安全變得越來越重要，汽車作為實時在線設(shè)備，其與網(wǎng)絡(luò)的溝通包括與車內(nèi)車載網(wǎng)絡(luò)溝通，都要加密數(shù)據(jù)，不然就有可能被黑客入侵。因此有必要預(yù)先將高性能加密校驗?zāi)K嵌入到芯片內(nèi)部。

針對功能安全，國際組織 IEC 發(fā)布了 IEC 61508 標(biāo)準(zhǔn)，并衍生出了一系列適用不同行業(yè)的功能安全標(biāo)準(zhǔn)，如下圖：

4、汽車芯片設(shè)計還要考慮長效性

手機芯片的發(fā)展基本遵循摩爾定律，每年都會發(fā)布新一代芯片，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(nèi)的軟件系統(tǒng)性能需求即可。但汽車開發(fā)周期較長，新車型從研發(fā)到上市驗證需要至少兩年的時間，意味著汽車芯片設(shè)計必須具有前瞻性，能夠滿足顧客今后 3 ~ 5 年內(nèi)的一種前瞻性需求。此外，隨著當(dāng)前汽車中軟件數(shù)量的不斷增加，從芯片開發(fā)角度看，不僅需要支持多個操作系統(tǒng)，而且還需要支持軟件中不斷迭代的要求。

所以車規(guī)級芯片表現(xiàn)出產(chǎn)業(yè)化周期長、供應(yīng)體系閾值高等特點。進入汽車電子主流供應(yīng)鏈體系需滿足多項基本要求：滿足北美汽車產(chǎn)業(yè)所推出的 AEC-Q100(IC)、101(離散元件)、200 (被動零件)可靠度標(biāo)準(zhǔn)；遵從汽車電子、軟件功能安全國際標(biāo)準(zhǔn) ISO 26262；符合 ISO 21448 預(yù)期功能安全，覆蓋基于非系統(tǒng)失效導(dǎo)致的安全隱患；符合 ISO21434 網(wǎng)絡(luò)安全要求，合理保證車輛及系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全；滿足零失效供應(yīng)鏈品質(zhì)管理準(zhǔn)則 IATF 16949 標(biāo)準(zhǔn)?；旧弦粋€芯片車規(guī)級認證一般需要 3 - 5 年的時間，這對于芯片廠商來說是巨大的技術(shù)成本，生產(chǎn)成本和時間成本考驗。Mobileye 用了整整 8 年才獲得第一張車企訂單，英偉達當(dāng)前主力芯片 Xavier 的研發(fā)耗資達 20 億美元。

芯片制作時，減小芯片內(nèi)部電路間距離能將較少晶體管塞到較少芯片上，使其運算性能較強，同時也能帶來降低功耗。所以從早期微米到晚期納米芯片對制程工藝大小十分重視。然而制程不可能無限地收縮，電晶體收縮至約 20 納米時會遭遇量子物理上的困擾，晶體管漏電，抵消了收縮柵極長度所帶來的好處。為了解決這個問題，加州大學(xué)伯克利分校的胡正明教授發(fā)明了鰭式場效應(yīng)晶體管（FinFET）大幅改善電路控制并減少漏電流。目前，手機芯片工藝制程從較早的 90 納米，到后來的 65 納米、45 納米、32 納米、28 納米、16 納米、12 納、7 納米、一直發(fā)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(fā)。

傳統(tǒng)車用芯片的制備，因汽車自身空間大，集成度要求不如手機這種消費電子迫切。加之車用芯片以發(fā)電機，底盤，安全和車燈控制等為核心的低算力領(lǐng)域使得汽車芯片并沒有象消費電子芯片那樣狂熱地追逐高級制程工藝，而是傾向于優(yōu)先選擇成熟的制程工藝。不過隨著汽車智能化的發(fā)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 年推出基于 5nm 制程的下一代高性能汽車計算平臺。

曾幾何時，汽車芯片市場因其市場規(guī)模的限制而變得十分小眾，所以很少有外來入局者進入，數(shù)十年間都為恩智浦，德州儀器和瑞薩半導(dǎo)體這些汽車芯片巨頭壟斷著。隨著汽車電子化和智能化水平的不斷提高，汽車電子系統(tǒng)的市場規(guī)模在逐年增大，三星，英特爾，高通，英偉達，賽靈思等頂尖芯片企業(yè)相繼涉足汽車芯片領(lǐng)域，同樣給我國企業(yè)營造出一種‘變中求機’的局面。

在功能芯片領(lǐng)域，上市公司中穎電子、兆易創(chuàng)新、東軟載波都涉及汽車電子領(lǐng)域，但市占率極少。杰發(fā)科技于 2018 年收獲車規(guī)級 MCU 芯片訂單，標(biāo)志國內(nèi)首款通過AEC-100 Grade1 的車規(guī)級 MCU 正式量產(chǎn)上市，打破國外的技術(shù)壟斷。在主控芯片方面，華為以昇騰，昇騰和麒麟等系列芯片為核心，完整地布局汽車智能計算平臺，地平線則率先量產(chǎn) AI 芯片上車。車載存儲芯片方面兆易創(chuàng)新和合肥長鑫緊密合作，2019 年推出 GD25 全系列 SPI NOR FLASH，滿足 AEC-Q100 標(biāo)準(zhǔn),是目前唯一全國產(chǎn)化車規(guī)存儲器解決方案；宏旺半導(dǎo)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(yīng)用領(lǐng)域。

在車載通信芯片領(lǐng)域，華為已累計為全球數(shù)百萬輛汽車提供4G通信模組，5G模組也已實現(xiàn)量產(chǎn)上車；C-V2X領(lǐng)域，國內(nèi)涌現(xiàn)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(yè)，華為基帶芯片 Balong 765 、Balong 5000相繼應(yīng)用于車載單元和路邊單元，大唐高鴻順利實現(xiàn)C-V2X車規(guī)級模組DMD3A 量產(chǎn)。國外公司高通和國內(nèi)模組廠商如高新興和移遠通信的廣泛合作促進了 C-V2X 芯片組的推廣和應(yīng)用，Autotalks 也積極和大唐及其他國內(nèi)廠商開展 C-V2X 芯片的互操作實驗。

在功率芯片領(lǐng)域，MOSFET方面，聞泰科技占據(jù)全球4%的市場份額，華潤微電子在國內(nèi)MOSFET市場占比8.7%；IGBT，國內(nèi)公司以株洲中車時代電氣，比亞迪，斯達股份和上海先進為主。從整體上看，中國芯片產(chǎn)業(yè)起步晚、基礎(chǔ)差，在車規(guī)級研發(fā)與量產(chǎn)應(yīng)用過程中也面臨著很多限制。國外芯片巨頭依然占領(lǐng)中國本土車用半導(dǎo)體芯片市場國內(nèi)公司技術(shù)積累，資金和人才都不能和國際巨頭競爭大環(huán)境，中國汽車芯片產(chǎn)業(yè)要想取得突破并走向強盛，不是一蹴而就的，必須立足于現(xiàn)在，按照行業(yè)發(fā)展客觀規(guī)律辦事，謹防畢其功于一役投機思維，防止出現(xiàn)投資過熱、盲目低水平重復(fù)建設(shè)等問題，抓住智能網(wǎng)聯(lián)與新能源的發(fā)展契機，才有可能由單點突破向生態(tài)突圍轉(zhuǎn)變。

在中國智能汽車市場蓬勃發(fā)展、國家支持國產(chǎn)芯片企業(yè)蓬勃發(fā)展的大背景下，我們堅信：中“芯”火，一定會燎原！

汽車芯片按功能主要分為計算與控制芯片、傳感器芯片、功率半導(dǎo)體、模擬和通信芯片、存儲芯片等種類。

IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)，中文名稱絕緣柵雙極型晶體管，是由 BJT 和 MOSFET 組成的復(fù)合功率半導(dǎo)體器件，同時具備 MOSFET 開關(guān)速度高、輸入阻抗高、控制功率低、驅(qū)動電路簡單、開關(guān)損耗小的優(yōu)點。

MOSFET（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor-金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管）是一種半導(dǎo)體器件，廣泛用于開關(guān)目的和電子設(shè)備中電子信號的放大。

文章來源：ADS智庫