汽車缺芯，技術(shù)迭代，車規(guī)挑戰(zhàn)面對汽車缺芯，臺積電剛剛表示，雖然其生產(chǎn)能力目前已滿，但將“優(yōu)化”芯片生產(chǎn)，釋放產(chǎn)能，如果產(chǎn)能開放，將優(yōu)先考慮汽車芯片生產(chǎn)。其聲明中提到：“我們正在與客戶密切合作，并將他們的一些成熟節(jié)點轉(zhuǎn)移到更先進的節(jié)點，以更好的產(chǎn)能支持他們?！辈贿^，消息來源并未提及是什么節(jié)點。

CES 2021上，Ambarella宣布推出CV5 5nm 8K AI視覺處理器SoC，用途包括運動相機、無人機和日益重要的汽車業(yè)務(wù)。據(jù)說它是其內(nèi)部ISP（圖像信號處理）的最強迭代，除了8K60視頻錄制或四個獨立4K視頻流等功能，還具有強大AI功能、新的CPU內(nèi)核，關(guān)鍵在于以三星5LPE（5nm低功耗）節(jié)點制造，承諾了非常低的功耗。果真如此，這可是一個絕佳賣點！不過，5LPE還是依賴FinFET晶體管，先進與否，看下面的分析吧。

近年來，隨著汽車日益電氣化和自動化，越來越多的汽車數(shù)據(jù)被數(shù)字化，迫切需要更先進的電子器件來處理。在汽車這種極端環(huán)境中，至今7納米芯片的使用也是鳳毛麟角，5納米嘛，剛有廠商做出來，還沒有量產(chǎn)，而未來會發(fā)生什么呢？我們來看看頭部半導(dǎo)體廠商的大佬們是怎樣看待汽車對芯片可靠性和工藝提出的挑戰(zhàn)。

汽車是芯片最大新興市場

2015年至2018年期間，汽車市場快速增長，隨后伴隨汽車主機廠退步并重新評估其目標(biāo)和架構(gòu)，市場大幅放緩。他們并沒有試圖在每輛車上都安裝一臺超級計算機（這在經(jīng)濟上是不現(xiàn)實的），而是將重點放在可擴展的架構(gòu)上，以處理越來越多的駕駛輔助功能。盡管疫情大流行造成了新車銷售的損失，但這項工作仍在進行。

要實現(xiàn)汽車主機廠的愿望，唯一途徑是汽車芯片設(shè)計的創(chuàng)新，讓計算能力再上一個臺階，因此芯片最大的新興市場之一是汽車。

汽車電子控制單元越來越多

如今，汽車半導(dǎo)體在急劇增長，因為只有通過電子控制系統(tǒng)才能實現(xiàn)更好的燃油效率、安全性、便利性和更嚴(yán)格的排放控制。豪華車采用了更多的電子組件，更智能和高度集成的電子控制單元（ECU）則需要更多的定制專用集成電路（ASIC）。

芯片工藝創(chuàng)新談何容易

轉(zhuǎn)向先進技術(shù)當(dāng)然令人興奮，人們相信一輛車能做自己現(xiàn)在能做的事情，但是用所有計算來真正模仿人并不容易。從半導(dǎo)體角度講，需要芯片有強大的算力。

但是，作為一種成功的經(jīng)驗預(yù)測，摩爾定律的走勢開始放緩已是不爭的事實，可能使之延續(xù)下去還要借助于先進IC封裝，比如從2D轉(zhuǎn)向3D封裝，以提升晶體管的集成密度，同時節(jié)省一些加快摩爾定律進程的設(shè)計和制造成本。

從芯片工藝來看，追求性能的競爭相當(dāng)慘烈，主要就是成本的大幅增加，資金投入何止是不菲！在進入10納米后，芯片代工行業(yè)的成本壓力越來越大。10納米芯片的開發(fā)成本超過1.7億美元，7納米差不多3億美元，5納米更是在5億美元以上。

還有芯片本身的問題。先看5納米，因為很多原因一直在采用的鰭式場效應(yīng)晶體管（FinFET）工藝開始失去動力，包括通過細(xì)金屬絲傳輸信號、絕緣各種元件的較薄電介質(zhì)，以及通過長形柵極控制電流泄漏的能力都在下降；甚至制造也成了一個更大的問題，因為對于FinFET，每個新節(jié)點的鰭（fin）都更高。

PDF Solutions高級研究員Tomasz Brozek說：“一個問題是，鰭本身必須更堅固，柵極也必須更高。這意味著材料必須進行替代，將金屬沉積在溝道內(nèi)部，觸點必須建立在源/漏外延區(qū)。因此外延的生長需要更深更高，而觸點本身也將圍繞著源極和漏極建立，以降低接觸電阻，這增加了復(fù)雜性?！?

這一點對汽車市場尤為重要，因為日益自動化的汽車人工智能（AI）部分需要最先進工藝所具備的特性。但在汽車惡劣環(huán)境下使用的芯片中，還從來沒有大規(guī)模使用過先進節(jié)點工藝，落后手機等行業(yè)不止一拍兩拍。原因在于，在服務(wù)器機架中，如果內(nèi)部溫度過高，個別服務(wù)器可以將負(fù)載轉(zhuǎn)移到其他服務(wù)器。同樣，如果一部智能手機被放在高溫的車?yán)?，超過一定溫度它就會關(guān)機，直到溫度降到預(yù)設(shè)的極限以下才能重啟。汽車內(nèi)的熱量會對從內(nèi)存延遲到電路老化加速等所有方面產(chǎn)生很大影響。

OptimalPlus副總裁兼總經(jīng)理Doug Elder說：“在5納米，缺陷和計量數(shù)據(jù)越來越難以收集。因此，汽車行業(yè)采用5納米的行動將要推遲到解決了這些問題之時。芯片做得如此之小，會影響獲取晶圓級數(shù)據(jù)的能力。一方面，可視性——無論是電的還是光的——都會降低。另一方面，這么小的芯片產(chǎn)生的數(shù)據(jù)太多了，以至于人們不知道該怎么處理這些數(shù)據(jù)。在獲取這些數(shù)據(jù)，或者在某些情況下弄清楚如何處理這么多數(shù)據(jù)方面，問題越來越多?！?

5納米的唯一

2020年6月，恩智浦成為首家采用臺積電5納米工藝技術(shù)的汽車芯片公司，為下一代自動駕駛提供高性能安全計算系統(tǒng)級芯片（SoC）平臺。據(jù)稱，臺積電有望在2021年秋季向恩智浦的主要客戶提供首批樣品。

下一代高性能汽車平臺功能更多

隨著汽車行業(yè)大規(guī)模并行計算（高性能計算和安全計算并舉）創(chuàng)新的需求，汽車主機廠必須在其汽車架構(gòu)中應(yīng)對“爆發(fā)性軟件、極其昂貴的材料清單和更高的安全性”要求。恩智浦N5P（臺積電5納米技術(shù)增強版）工藝技術(shù)汽車處理平臺可以增強其架構(gòu)產(chǎn)品，與MobileEye、高通、英偉達(dá)、瑞薩等競爭。恩智浦的目標(biāo)是通過提供可以“跨域”使用的統(tǒng)一核心架構(gòu)來“統(tǒng)一軟件基礎(chǔ)架構(gòu)”。

競爭對手Mobileye的EyeQ5采用7納米工藝，據(jù)說EyeQ6可能會升級到5納米。Mobileye使用了意法半導(dǎo)體較早的制造工藝，而較新的處理器則使用臺積電的制造工藝。

在過去一年，臺積電和恩智浦與5納米汽車級生態(tài)系統(tǒng)參與者進行了很多合作，在先進工藝節(jié)點與IP供應(yīng)商、工具供應(yīng)商和其他提供設(shè)計支持的供應(yīng)商進行更多協(xié)同設(shè)計。

如果明年的樣品得以成行并量產(chǎn)，才能說恩智浦是汽車半導(dǎo)體公司中首個采用5納米工藝技術(shù)的公司。在此之前，要使5納米工藝獲得汽車級和功能安全性資格，還有大量的認(rèn)證工作要做。

恩智浦采用5納米技術(shù)的賣點在于：可以實現(xiàn)高集成度，同時降低功耗。前者很容易理解，后者還難以定論，后面馬上分曉。

5納米集體翻車為哪般？

現(xiàn)實是，實現(xiàn)5納米大多是吹的，別說車規(guī)，就是手機用也還存在問題。為什么？因為10年前困擾臺積電和三星的問題又依然故我了。

5納米是目前EUV（極紫外線）光刻機能實現(xiàn)的最先進芯片工藝，也是智能手機廠商的重要賣點，2020年下半年，蘋果A14（“一度達(dá)80℃”）、麒麟9000（“發(fā)熱降頻”）、驍龍888（“變身火龍”，810就曾“高燒不退”）等5納米工藝芯片相繼粉墨登場。

汽車芯片千萬不能熱

不過，公開信息顯示，上述芯片無一幸免均被曝實際功耗不低，發(fā)熱未減，一時間，5納米芯片集體翻車成為熱議話題。

功耗和發(fā)熱指標(biāo)不好一直是不斷追隨甚至想超越摩爾定律的廠商沒有解決的難題。主要元兇是芯片內(nèi)部的晶體管漏電。進入深亞微米制造工藝時代之前，動態(tài)功耗一直是芯片設(shè)計關(guān)注的焦點，但在深亞微米工藝，動態(tài)功耗在總功耗中的比例越來越小，靜態(tài)功耗的比例則越來越大。進入納米時代，漏電流功耗對整個功耗的影響變得非常顯著。研究表明，在90納米工藝的電路中，靜態(tài)功耗可以占到總功耗的40%以上。

究其原因，是因為集成電路每一代制造工藝的進步，都是通過縮短CMOS晶體管的溝道長度（微米或納米）實現(xiàn)的。溝道長度的不斷縮短，使電源電壓、閾值電壓、柵極氧化層厚度等工藝參數(shù)也在不斷按比例縮小，使短溝道效應(yīng)（SCE）、柵極隧穿電流、結(jié)反偏隧穿電流等漏電流機制越來越顯著，表現(xiàn)為芯片漏電流功耗不斷上升。更重要的是，漏電流功耗和溝道長度縮小是一個數(shù)量級增長的關(guān)系，溝道長度越來越短，漏電流功耗增加越來越快。

5納米之前，之所以臺積電、三星和英特爾能抑制漏電流功耗，主要是采用了創(chuàng)新的FinFET，以替代傳統(tǒng)的平面式晶體管。

從平面FET、FinFET到未來工藝的變化

在7納米時，F(xiàn)inFET技術(shù)已走基本到盡頭，將由環(huán)繞柵極晶體管（GAAFET）接替。但由于技術(shù)風(fēng)險和成本壓力，頭部代工廠在5納米時代仍不得不使用FinFET。結(jié)果可想而知，芯片漏電流功耗暴增幾乎抵消了工藝進步的紅利。

據(jù)透露，英特爾已計劃在5納米（接近臺積電3納米工藝）時切換到GAAFET，臺積電則計劃在3納米后再說，三星為了追上臺積電，決定在3納米時就采用GAAFET。不過在GAAFET正式啟用之前，芯片發(fā)熱仍然是一個問題。另外，每一個新節(jié)點的數(shù)字邏輯都發(fā)生了微妙的變化，越來越趨向于類似模擬的行為，迫使芯片工程師開始與信號漂移、噪聲和不同應(yīng)力等問題抗?fàn)帯?

因此，5納米和已規(guī)劃的3納米都增加了新的可靠性挑戰(zhàn)，令汽車應(yīng)用無法承受其重。在3納米，由于許多原因，這些問題的數(shù)量和嚴(yán)重程度還不太清楚。

那么，恩智浦成首家采用5納米汽車芯片公司又從何而來呢？莫非還有獨門絕跡？對此，業(yè)界觀察人士對于恩智浦的新平臺到底是什么樣子仍然有點困惑。The Linley Group高級分析師Mike Demler指出，不管工藝節(jié)點是什么，這都是一個有趣的消息，他說：“恩智浦的汽車平臺非常廣泛，5納米技術(shù)并不適用于所有平臺?！?

巨大的挑戰(zhàn)和誘惑

Solutions高級解決方案副總裁Dennis Ciplickas認(rèn)為：“別說5納米，像7納米這樣的先進技術(shù)都存在一些問題。我們已經(jīng)看到7納米芯片中發(fā)生的問題——不同類型的變化、生產(chǎn)線可能出現(xiàn)的缺陷以及工藝模塊之間的所有交互。測試方式、使用的故障模型、診斷和發(fā)現(xiàn)缺陷以及構(gòu)建理解這些因素的功能安全性是一個巨大的挑戰(zhàn)。我們是在朝著自動駕駛的方向前進，我們最終會到達(dá)那里。但是，考慮到先進技術(shù)的表現(xiàn)方式，要實現(xiàn)這一目標(biāo)，需要進行的創(chuàng)新是一個巨大的挑戰(zhàn)，也是一個巨大的機遇。”

困則思變，即便是芯片行業(yè)長期以來的發(fā)展趨勢，也可能會陷入劇變。先進節(jié)點半導(dǎo)體的一些最大消費者也開始自研芯片，其中包括蘋果、谷歌、亞馬遜、Facebook和阿里巴巴等，都試圖通過軟硬件協(xié)同設(shè)計、獨特的架構(gòu)、混合使用加速器和各種類型的處理器和內(nèi)存來實現(xiàn)數(shù)量級的性能改進。

芯片消費大戶搶占芯片制高點

最近由主機廠（如特斯拉）驅(qū)動的芯片開發(fā)已開始證明，高度自動化的驅(qū)動平臺可以實現(xiàn)優(yōu)異的性能。不使用市場上現(xiàn)有的芯片，轉(zhuǎn)而采用專門構(gòu)建的SoC定制的系統(tǒng)需求可以產(chǎn)生巨大的差異。汽車行業(yè)已經(jīng)意識到，對于高度自動化駕駛，主機廠和Tier 1需要在SoC架構(gòu)的定義中發(fā)揮更積極的作用。他們正試圖將高性能專用SoC或系統(tǒng)級封裝（SiP）全部集成在單個芯片，而不是PCB上滿足功能集、每瓦特性能、安全性等要求。

特斯拉自研芯片的全自動駕駛計算機

不過，近日有報道稱，特斯拉正在為新型4D全自動駕駛（FSD）開發(fā)下一代硬件HW4，而三星電子正在為特斯拉開發(fā)5nm芯片?？磥碜匝幸灿袉栴}。

在此之前，國內(nèi)一些主機廠已在蠢蠢欲動。蔚來汽車董事長兼CEO李斌在接受采訪時表示：“自研自動駕駛芯片并不難，比手機芯片容易。”但已造了芯的地平線創(chuàng)始人兼CEO余凱的話已撂在那里：“到今天為止，全球車企中真正自研芯片的只有特斯拉一家，其他的或許只是聲音。就像智能手機，真正自研芯片的很少，絕大部分還是走分工協(xié)作的道路，專業(yè)分工才能帶來效率。雖然也有一些手機廠商嘗試過研發(fā)芯片，但都不很成功。最后他們都用了高通和聯(lián)發(fā)科的芯片。我認(rèn)為，專業(yè)化的分工可以帶來效率，專業(yè)的人干專業(yè)的事?！?

的確，研發(fā)自動駕駛芯片要比手機芯片更難，就說滿足車規(guī)這一條就夠研發(fā)者喝一壺的。至于車規(guī)AI芯片，用余凱的話說“必須是世界級的AI算法公司”才玩得轉(zhuǎn)。簡單的芯片或許可以，但也沒有自己造的必要，而復(fù)雜的芯片更不是一朝一夕能夠?qū)崿F(xiàn)的。

值得一提的是，地平線的車規(guī)AI芯片征程3 SoC還是16納米工藝；而即將推出、預(yù)計量產(chǎn)在2022年下半年的征程5并未提及工藝節(jié)點；計劃當(dāng)中的征程6將采用車規(guī)級7納米工藝，工程樣片的推出時間是2023年。由此可見，國內(nèi)車規(guī)級SoC的節(jié)點并不先進。

所有新技術(shù)都將極大地增加芯片的復(fù)雜性，這可能需要利用最新的工藝節(jié)點。雖然高端汽車SoC已經(jīng)采用7納米設(shè)計，但一些公司已經(jīng)在準(zhǔn)備下一代5納米先進節(jié)點設(shè)計。代工廠聲稱，5納米提供了大約20%的速度或大約40%的功率降低，是非常適合下一代汽車的處理器。

其影響尚待評估，但成功模式可能會發(fā)生重大變化。Xilinx總裁兼首席執(zhí)行官Victor Peng說：“不可否認(rèn)的事實是，2021年隨著5納米的投產(chǎn)，剩下的提供高性能產(chǎn)品的半導(dǎo)體廠商將把3納米產(chǎn)品的開發(fā)成本內(nèi)部化（納入產(chǎn)品成本）。”

汽車要求非同一般

汽車帶來了一系列嚴(yán)格的要求，既有行業(yè)驅(qū)動的要求（ISO 26262和ASIL A、B、C、D），也有主機廠驅(qū)動的要求（18年零缺陷），這對整個行業(yè)產(chǎn)生了影響。

Mixel總裁兼首席執(zhí)行官Ashraf Takla說：“從需求和我們需要做的事情來看，這種變化真的很驚人。就像一個新的生態(tài)系統(tǒng)從零開始誕生，每個人都在學(xué)習(xí)，真的沒有專家。每年都有新的要求，我們需要做新的仿真，我們需要遵循更多的規(guī)則?！?

他說：“對于消費電子產(chǎn)品，缺陷率通常是3西格瑪。對于汽車來說是5西格瑪或6西格瑪。幸運的是，這一切并不是一夜之間發(fā)生的。但它將在2021年和未來幾年繼續(xù)存在。”

又想起了摩托羅拉

由于新材料、新晶體管結(jié)構(gòu)的引入以及這些芯片在安全和任務(wù)關(guān)鍵型應(yīng)用中的預(yù)期用途，確保芯片在5納米和3納米下的可靠性變得越來越困難。

在汽車這樣的熱、振動和其他物理效應(yīng)所致應(yīng)力不能完全預(yù)測的應(yīng)用中，挑戰(zhàn)變得更加復(fù)雜。動態(tài)功率密度的大幅提高，會影響老化模型的更多物理效應(yīng)，5納米以下數(shù)字電路開始表現(xiàn)得更像模擬電路，會受到一系列模擬問題的影響，這些問題在數(shù)字電路設(shè)計中從未被重視過。

隨著設(shè)計的獨特性越來越強，這種復(fù)雜性變得更大。這些設(shè)計中的許多都是異構(gòu)的，并且包括一些AI/ML/DL版本，這增加了潛在缺陷對芯片功能影響的不確定性。

隨著芯片變得越來越密集，在關(guān)鍵應(yīng)用中的使用越來越多，在可以被替換之前，它們必須持續(xù)工作，即使性能不是最佳。這是汽車ISO 26262的基本原則之一，在汽車領(lǐng)域，器件需要正常地進行故障切換，無論是切換到完全冗余的電路還是車輛的另一個器件或模塊。

可靠就好

電動汽車和自動駕駛汽車的蓬勃發(fā)展正受到汽車行業(yè)普遍存在的嚴(yán)格安全法規(guī)的影響，對于芯片制造商來說尤其如此，他們必須在實現(xiàn)更高性能的同時，讓產(chǎn)品具有汽車合規(guī)性以及獨特的高可靠性。如果能做到這一點，采用更高工藝節(jié)點當(dāng)然是整個行業(yè)的期盼！

對于中國廠商，時間更為緊迫，如余凱所說：“未來三年，是最關(guān)鍵的時間窗口，如果中國品牌在芯片和操作系統(tǒng)上不能夠拿到中國智能汽車市場的前兩名，我認(rèn)為我們就基本上出局了?！边@就是我們要面對的現(xiàn)實！