汽车大芯片正走到巨变前夜

0 半导体行业观察 2024-06-24 10:22:31

摘要：

下一代汽车电子电气架构需要复杂的集中式计算单元来应对日益增长的功能需求。融合芯片（Fusion chips）和基于芯粒（chiplet-based）的设计是潜在的推动因素。软件定义汽车 (SDV) 的下一代电气/电子 (E/E) 架构正在向集中化发展。麦肯锡分析估计，到 2032 年，全球生产的所有汽车中 30% 将采用带区域控制器的 E/E 架构（图 1）。对于半导体行业来说，重要的是，这种转变将需要集中的高性能计算单元。

在未来十年内，汽车微元件和逻辑半导体市场预计将在 2032 年增长到 600 亿美元。预计整个汽车半导体市场将在同一时期内从 600 亿美元增长到 1400 亿美元。其 10% 的复合年增长率超过了半导体市场的所有其他垂直市场。

集中式高性能计算单元通常为高级驾驶辅助系统 (ADAS) 或未来的自动驾驶 (AD) 提供功能，以及信息娱乐和车辆运动任务。两种原型——独立的、特定领域的计算单元和跨领域的中央计算单元——将主导下一代 E/E 架构（图 2）。根据这种性质，OEM 和一级供应商可以通过不同的方式实现集中式计算单元，例如通过基于机架的设置、带有多个芯片的印刷电路板 (PCB) 或用于多个域的融合芯片。

在所有情况下，选择最高效的底层片上系统 (SoC) 或系统级封装 (SiP) 至关重要，原因如下：

首先，SoC 和 SiP 实现了自动驾驶汽车所需的基本计算（例如，通过实现识别其他车辆和交通参与者的感知功能），此外还提供尖端的信息娱乐服务并支持生成式人工智能 (gen AI) 用例（例如，用于车载助手）。

其次，SoC 和 SiP 是成本的主要驱动因素，并且极大地影响了整体物料清单 (BOM)。最后，它们的功耗可能在确保车辆节能运行方面发挥作用，这对于向电池电动汽车 (BEV) 的过渡尤为重要。

因此，汽车 OEM 高度投入，不断提高计算能力和效率。于是，ADAS/AD 和信息娱乐领域的两个新兴趋势在即将到来的 E/E 架构的概念阶段获得了关注：融合芯片和基于芯粒的芯片设计。

本文将讨论融合芯片和基于芯粒的芯片设计作为未来 E/E 架构中集中计算的推动因素，并讨论为什么它们成为首席技术官在制定有关集中计算的战略决策时的重要因素。

通过融合芯片推进 ADAS/AD 和信息娱乐领域的集中计算

融合芯片可能被视为提高 SDV 功能和计算整合度的合理下一步。也就是说，融合芯片将信息娱乐和 ADAS/AD 的功能合并到一块硅片上，形成一个单一的“融合”芯片。

乍一看，这种整合的技术要求似乎很合理。如今，ADAS/AD 和信息娱乐领域都需要最先进的多核中央处理器 (CPU)、图形处理器 (GPU)、AI 加速器和数字信号处理器，并且这两个领域都旨在以非常小的节点尺寸（即小于 10 纳米）实现，以提高计算能力和能效。同时，这种整合的几个方面揭示了这两个领域的不同之处：

虽然信息娱乐领域有一些与功能安全相关的应用（例如，支持驾驶舱集群），但在 ADAS/AD 领域，对汽车安全完整性等级 B (ASIL-B) 和 ASIL-D 功能安全合规性的需求更为明显，因为该领域必须执行许多实时关键功能（例如，执行器控制任务）。纯基于安全岛的方法在这里可能不够，因为信息娱乐通常采用这种方法。

在 ADAS/AD 领域，对硬件/软件 (HW/SW) 进行紧密协同设计的需求尤为明显，以便为实现感知元素的特定神经网络架构（例如卷积神经网络和变压器）优化计算硬件（例如 AI 加速器）。

在过去的两年中，尽管融合芯片设计面临着诸多挑战，但无晶圆厂半导体厂商和新进入者已经将这一理论想法变成了现实。此外，几家一级供应商已经展示了使用融合芯片的计算单元设计，并在 SDV 环境下宣扬其优势。

通过使用融合芯片，OEM 可以减少物理计算单元的总数，并进一步简化计算逻辑的整体集成和整合。例如，这种方法对于在整个车辆生命周期内促进无线 (OTA) 更新至关重要，这是 SDV 的关键推动因素。此外，OEM 可以简化信息娱乐和 ADAS/AD 领域的工具链和开发框架，从长远来看具有预期的成本优势。

麦肯锡与全球半导体联盟（GSA）合作，对整个汽车半导体价值链的利益相关者进行了调查。受访者表示，便利的开发模式（如开发环境和工具链）和成本原因（如节省知识产权和封装成本）是他们决定采用结合 ADAS/AD 和信息娱乐功能的融合芯片的首要因素（分别为 28% 和 57%）。

与此同时，向融合芯片的过渡也将带来一些挑战。首先，融合芯片需要更高的技术复杂性（例如，验证工作）才能保证不受干扰，这是因为信息娱乐和 ADAS/AD 必须分开，并且一个域的任何计算要求都不能干扰另一个域。此外，在信息娱乐和 ADAS 域之间的协调需求方面，组织负担将增加。

二是满足L3及以上自动驾驶系统的冗余度要求的问题。L3级系统需要有条件自动驾驶、计算冗余、执行器（制动和转向）和电源。当信息娱乐和 ADAS/AD 的计算功能组合到一个高度集成的芯片上时，可能不需要部署第二个芯片，因为在主芯片发生故障的情况下，信息娱乐域不需要额外的计算能力。在这种情况下，部署第二个芯片可能会产生开销。

额外的挑战在于，由于相关的功能安全要求，电磁兼容性 (EMC) 的一致性要求更加复杂；单独优化的可能性有限，例如功能安全要求和专用加速器；以及失去为两个领域选择最佳供应商的能力和更高的锁定效应。

在调查中，参与者还指出，采用融合 SoC 面临的三大挑战是确保不受干扰（33%）、处理组织原因（25%），以及解决 ADAS/AD 的冗余要求（19%）。计算能力方面的可扩展性以及物理和制造难度（分别有 13% 和 10%）被认为挑战性较小。

考虑到更高级别自动驾驶的冗余要求，融合芯片可能是一种特别可行的解决方案，适用于针对 L0 到 L2 应用（例如自适应巡航控制 [ACC]、车道偏离警告 [LDW] 和自动紧急制动 [AEB]）的部署场景，而不是针对 L3 及以上应用（例如放手和放眼场景）的场景，尤其是在 2030 年之前。此外，融合 SoC 可能会接管两个领域之间的功能，例如驾驶员监控和乘员检测——鉴于欧洲即将出台的新车评估计划 (NCAP) 法规，这些领域变得越来越重要。

在信息娱乐方面，融合芯片非常适合控制广泛的功能，例如驾驶舱集群、中央堆栈和乘客显示器、增强现实显示器、环视停车、后座娱乐和电子后视镜。

根据最近的公开公告，针对系列车辆的融合芯片预计将在 2026 年至 2027 年期间首次部署，主要采用者是注重成本效益的批量原始设备制造商以及技术遗产有限且对技术创新更开放的颠覆者。

采用Chiplet进行汽车定制芯片设计

从广义上讲，“chiplet”是指一种先进的封装形式—即用于增强半导体器件性能、功能和集成度的创新技术，超越了传统的封装方法。芯片组架构代表了半导体设计的范式转变，能够将多个专用芯片模块化集成到一个封装中。芯片组允许 OEM 为每个子组件选择最佳技术解决方案，这突显出并非所有组件都需要在尖端节点尺寸上制造。因此，在专用 ADAS/AD 和信息娱乐芯片以及融合芯片中都可以使用基于芯片组的设计。

由于实现了灵活性，人们甚至可以考虑在整体芯片设计为支持不同计算负载（例如，通过使用专用 CPU 芯片）的情况下使用芯片。因此，区域控制器也可能构成一个有趣的应用领域，因为它们的计算要求因原型而异（例如，简单的输入/输出聚合器与成熟的计算单元）。

现代芯片的所有功能（例如 CPU、内存、AI 加速器、串行器和反串行器）并非都集成在一块硅片上，而是使用最适合应用且经济可行的技术节点大小分别实现芯片组的各个组件（图 3）。这意味着 CPU 和加速器子系统可能采用可用的最小节点大小，而其他功能可能在更大的节点大小上实现。为了确保单独制造的组件仍能协同工作，需要一个通用接口标准，例如通用芯片组互连标准 (UCIe)。如后文所述，许多创建这些标准的努力正在进行中。

在汽车领域，专家最常提到基于芯粒的芯片设计的两个优点：

整体芯片尺寸减小。使用芯粒可避免单片设计方法增加芯片尺寸（面积）。在过去五年中，复杂芯片的芯片面积不断增大，几乎达到极紫外光刻的掩模版极限，即 858 平方毫米。对于数据中心使用的 GPU，这个问题变得尤为突出，因为更大的芯片尺寸允许容纳更多晶体管，从而可以增强计算能力和处理能力。请记住，工艺的良率受缺陷密度（单位面积缺陷数量）的限制，较大的芯片更有可能包含一个或多个缺陷，因为它们覆盖的面积更大。即使一个缺陷也会导致芯片无法正常工作。从长远来看，较小的芯片尺寸可以提高良率，从而降低成本。

虽然这种效应是芯粒的一个重要优势，但汽车芯片预计在 2030 年代中期之前不会达到这样的尺寸。相反，对于汽车垂直行业来说，乐高原（Lego principle）则更为重要。

乐高原则（或由标准实现的模块化芯片设计）允许汽车 OEM 混合搭配现有设计池或库中的组件，以满足其特定需求。该原则的好处包括能够重复使用组件。由于汽车行业的制造量低于其他细分市场（例如，每年汽车产量接近 1 亿辆，而智能手机出货量接近 15 亿部），因此定制重复使用组件将提高目标芯片设计的成本效率。其他好处包括加快新芯片的上市时间，通过选择真正需要的组件提高可扩展性，以及为加速器等专用芯片提供更多供应商选择。

调查显示，汽车半导体价值链中的大部分受访者（61%）表示，通过混合搭配或乐高原理设计最佳芯片的灵活性是业界采用芯粒的主要动机。降低总运营成本和提高单个 IP 组件的产量被视为基于芯粒的设计的重要优势，但影响较小（19%）。

生态系统对于 Chiplet 的成功至关重要。这些生态系统促进了标准化，并营造了鼓励 Chiplet 在不同垂直行业（例如数据中心和汽车）采用的环境。

UCIe 标准是标准化领域最重要的进步之一。自 2022 年 3 月发布第一个标准 (UCIe 1.0) 以来，我们成立了一个汽车工作组，为标准的修订做出了针对汽车的贡献。

除了标准化之外，新兴生态系统在促进其采用方面也发挥着作用。例如，由独立纳米电子研发中心 Imec 赞助的汽车芯粒联盟聚集了 50 多家汽车半导体价值链参与者，讨论和交流汽车芯粒设计进展的想法。

Chiplet 技术尚属新兴技术。OEM 必须考虑使用 Chiplet 的挑战，尤其是在考虑系列部署时。

汽车就绪性（Automotive readiness）：为了满足汽车就绪性，芯片设计必须满足所有必需的设备和制造规范（例如 AEC-Q100 和 IATF 16949），并能承受恶劣环境，包括振动和温度。与汽车制造相比，数据中心当前的用例提供了更稳定的环境和更少的挑战。

互连标准化（Interconnect standardization）：如前所述，生态系统参与者应考虑制定一个共同的标准，以便可以组合设计。目前，行业内的大型参与者正在组建不同的联盟和标准。一个全球性的、被广泛接受的标准对于实现乐高原则的理念至关重要。

采用新的开发模式和开放性（Adoption of new development paradigms and openness）：为了确保成功采用芯粒，价值链上的各参与者（知识产权、代工厂、集成设备制造商和封装）可以寻求新的合作模式。虽然所有参与者都认为这是关键要素，但可能难以及时实现。这在一定程度上是由于知识产权方面的挑战以及有关责任的悬而未决的问题，例如确定哪一方将负责芯片的整体可靠运行，而各方都提供其构建模块。从验证和确认的角度来看，价值链参与者认为混合搭配的“商店”芯粒创建方法是不切实际的。

价值链中的大多数高层领导预计，未来十年内，芯粒将得到更广泛的采用。在调查中，48% 的行业领导者预计，汽车应用的芯粒将在 2027 年至 2030 年之间出现，而 38% 的行业领导者则预测将在 2030 年至 2035 年之间出现。只有 8% 的人预计该技术将更快地发展，即在 2025 年至 2027 年之间。考虑到汽车行业的整体增长和发展时间，这种延迟并不令人意外。

此外，预计芯片的过渡将是渐进的。虽然乐高原则很有吸引力，但第一批芯片设计很可能是同质的。在这些设计中，知识产权模块将来自同一供应商，并使用专有或既定标准，例如外围组件互连快速 (PCIe)。下一步很可能是使用来自外部一方的构建块进行设计，这也有助于解决责任问题。真正的异构设计，具有真正的多供应商或多技术节点大小组合，很可能在 2030 年代中期及以后出现。

基于芯片的设计的重要性显而易见，因为它们允许芯片在计算需求增加时绕过现有界限，同时保持成本效益。一旦芯片生态系统和标准得以实现，利益相关者就应该量化当前应用场景的收益和机会。

融合芯片和芯粒对整个汽车半导体价值链参与者的影响

SDV 的兴起和供应链问题促使汽车 OEM 更深入地涉足半导体价值链。OEM 认识到，全面了解半导体技术以实现自动驾驶和信息娱乐领域的最先进功能对于保持竞争力至关重要。

这一趋势对汽车半导体领域的所有参与者都有影响，尤其是 OEM、一级供应商、IDM 和无晶圆厂参与者。如前所述，采用融合芯片的决定很可能需要在未来两到四年内做出，而实施芯粒的问题可能会在未来进一步解决。

汽车计算单元市场预计将从 2023 年的 960 亿美元增长到 2030 年的 1480 亿美元，复合年增长率为 6%（图 4）。

具体而言，集中化和整合趋势导致车身和底盘领域的增长有限，每年仅增长 1% 至 2%，动力总成单元甚至会略有下降。鉴于这些单元的功能将在区域控制器或集中式计算单元（如车辆运动计算单元）中实现，这些单元甚至可能会出现下降。ADAS/AD 和信息娱乐单元的复合年增长率分别为 22% 和 6%。前者是由越来越多的具有 L2+ 及以上功能（例如放手、放眼和有条件自动驾驶）的车辆推动的。

根据麦肯锡分析，预计2030年区域控制器的市场价值将达到30亿美元，而集中式计算单元（如融合SoC和车辆运动计算单元）的市场价值将达到80亿美元。

一、对原始设备制造商的影响

在决定是否采用融合 SoC 时，OEM 应该考虑以下具有战略意义的领域：

软件专业知识。是否有足够的专业知识和对这两个领域的软件架构的控制来满足集成需求？

ADAS/AD。应该支持什么级别的自动驾驶，融合 SoC 上应该承载什么样的功能？

治理。信息娱乐和 ADAS/AD 小组是如何设置的？协调开发和发布时间表的可行性如何？

采购策略。从同一家供应商采购 ADAS/AD 和信息娱乐芯片是否会妨碍任何战略采购决策和供应链弹性主题？

BOM 与总拥有成本经济性。BOM基础上可以节省多少成本？从总拥有成本角度考虑，并考虑投资头几年的要求（例如新的开发模式和新的工具），商业案例是什么样的？

关于芯粒，有三种可行的做法：首先，OEM 可以简单地依靠其 IDM 和无晶圆厂合作伙伴来推动芯粒的发展；其次，OEM 可以通过加入标准化机构（例如 UCIe）积极参与，并确保纳入具体要求；第三，OEM 可以积极自行开发芯粒；然而，这种选择需要大量资源，包括建立专门的专业团队。

二、对一级供应商的影响

一级供应商可能会跟进融合 SoC 趋势，利用融合 SoC 创建自己的集中式计算单元设计。他们可以使用这些设计向 OEM 展示潜在的技术和商业利益。几家一级供应商正在实施这一战略，为 2026 年至 2028 年即将开始的生产做准备。

一级供应商提供的芯片选项范围与 OEM 类似。一级供应商可能希望尽早与 OEM 接洽，将他们对芯片的需求纳入下一代集中式计算单元的开发路线图中。