汽車電子市場正在蓬勃發(fā)展，它在老牌芯片制造商和新興公司之間掀起了一場全球爭奪戰(zhàn)。

不過，日益有目共睹的是，并非所有人都了解汽車與手機市場的差異。手機仍是半導體行業(yè)銷量最高的市場，但增長勢頭已趨平緩。相比之下，汽車電子產(chǎn)品市場的價值正在迅速上升，越來越多的芯片制造商正試圖占得一席之地。

Semico Research公司總裁Jim Feldhan表示：“所有人都認為汽車行業(yè)將是下一個大市場。如果你在高端市場，比如英偉達、英特爾、AMD，以及其他從事高端計算的公司，他們一定會考慮自動駕駛，因為‘每年有超過1.2億輛汽車被生產(chǎn)出來。’總有一天，他們將通過自動駕駛系統(tǒng)擁有相當于多臺服務(wù)器的功能。這是很強大的計算能力。”

Semico預測，到2023年，汽車半導體市場將增長到730億美元。雖然完全自主的5級汽車上路可能尚需時日，但是3級特斯拉已經(jīng)有了非常高端的計算能力。

Feldhan表示：“除此之外，自動駕駛系統(tǒng)中還有存儲器、模擬器件，以及大量的電源和傳感器產(chǎn)品。你會發(fā)現(xiàn)汽車之間彼此連網(wǎng)，而且正在嘗試接入智慧城市，并實現(xiàn)車輛之間的通信——所有著一切都圍繞著安全和交通管理。它們本質(zhì)上就像花哨的手機，正在變成一個個移動熱點，人們再不需要呆在星巴克里。”

對于汽車而言，信息娛樂仍然是一個重要區(qū)別。但隨著信息娛樂系統(tǒng)越來越多地被納入安全領(lǐng)域，無論是作為警報系統(tǒng)的一部分，還是作為其他部件的故障轉(zhuǎn)移，它們都受到與發(fā)動機控制電子設(shè)備同樣嚴格的標準約束。汽車OEM設(shè)定的標準是每十億臺15年內(nèi)無故障，考慮到其中的大部分必須應(yīng)用于極端條件，這一點尤其令人生畏。

不同之處

三星和蘋果等公司的很多手機芯片設(shè)計都占據(jù)了設(shè)計的前沿。

Synopsys公司設(shè)計部的市場總監(jiān)Mary Ann White表示：“對于大多數(shù)情況來說，它使用16nm，一直到最新、最前沿的工藝。很明顯，10nm甚至8nm的手機芯片現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)，但是他們會立即遷移到finFET或最新的工藝節(jié)點，他們可能已經(jīng)完成了5nm和3nm的流片。移動設(shè)備和汽車的最大區(qū)別在于，當涉及到手機和圖形驅(qū)動時，客戶想要的是最新最前沿的工藝。例如，在汽車行業(yè)，傳感器仍然是150nm工藝，沒有理由向7nm遷移。考慮到汽車設(shè)計需要大量冗余，設(shè)計尺寸和面積不會產(chǎn)生太大的影響，并不像在手機上那樣令人擔憂。”

在手機世界中，設(shè)計通常達到3GHz，頻率和速度是一切。在汽車中，頻率差別很大。但至少在一個方面，這兩個世界開始融合。White表示：“現(xiàn)在，你正在把非常低頻的器件帶到像手機一樣的設(shè)備上，因為你現(xiàn)在正在制造連接5G網(wǎng)絡(luò)的汽車。所以汽車突然變得像手機一樣。”

二者之間最大的不同是電壓。在移動應(yīng)用中，電壓必須非常低，以此提高電池續(xù)航能力。White表示：“1.8V是一種延伸，但人們肯定還想降到0.5V……相反，汽車內(nèi)部總是存在高電壓，而且許多汽車半導體器件仍然有很多模擬電路，因此器件必須在更寬的范圍內(nèi)正常運行。”

汽車芯片也必須在很寬的溫度范圍內(nèi)工作（-40°C ~ 155°C，而手機器件是0 ~ 40°C），并且它們必須持續(xù)使用至少15年，而手機的壽命不到3年。

圖1：汽車IC需求 vs 手機IC需求 （來源： Synopsys）

此外，汽車芯片的故障率需要顯著低于手機芯片。White表示：“手機供應(yīng)商要求故障率低于10%，而ISO 26262則差不多要求質(zhì)量保證10年，但我們現(xiàn)在看到的是，客戶想要15 ~ 20年內(nèi)故障率低于10億分之1（1 DPPB）。你的手機關(guān)機重啟無關(guān)緊要，因為你不會受傷。但是想象一下你的汽車重啟的后果，那是不可能的。”

空曠而又崎嶇的道路

盡管如此，移動電子產(chǎn)品領(lǐng)域的機遇正在趨于平緩，而汽車領(lǐng)域的機遇正在擴大。

2004年，工廠只給不到50%的汽車配裝了電動座椅，只有四分之一的汽車裝有安全氣囊。政府法規(guī)推動了今天安裝在車輛中的安全相關(guān)功能的采用。

今天，電子/電氣（EE）系統(tǒng)的內(nèi)容正在急劇增加，但對魯棒性和完美性的要求要高得多。

圖2：工廠配裝設(shè)備的采用率增加。（來源：Semico Research）

Semico公司的Feldhan表示：“如果你在生產(chǎn)消費類產(chǎn)品，正在設(shè)計它，如果它存在小缺陷，你就會對其進行改善，然后會在6 ~ 8個月內(nèi)推出下一代產(chǎn)品。但這在汽車行業(yè)行不通。汽車行業(yè)的設(shè)計周期要長得多，而且必須完美無瑕。而且，當你解決了所有那些難題的時候，那么產(chǎn)品通常會在那里停留很久，這也意味著你必須支持這個設(shè)計很多年。如果你在消費電子行業(yè)，幾年之內(nèi)你就會淘汰掉有缺陷的部件，因為此時很可能有很多部件已經(jīng)超越了它。”

最重要的是，消費者希望汽車連接的安全性、可靠性和高性能與他們在家中或辦公室的連接相同，人們正在開發(fā)一些創(chuàng)新方法來實現(xiàn)這一目標。例如，Marvell正在開發(fā)用于車輛內(nèi)外的同步雙頻Wi-Fi，其基礎(chǔ)是連接支持芯片，他們還正在構(gòu)建模塊，例如1000BaseT以太網(wǎng) PHY，支持802.11ac和802.11p的WiFi設(shè)備，以及藍牙PHY和安全千兆以太網(wǎng)交換機。

Marvell公司連接業(yè)務(wù)部門技術(shù)營銷總監(jiān)Avinash Ghirnikar表示：“當我們在汽車中引入WiFi /藍牙組合時，我們率先推出了移動熱點使用案例。然后我們通過WiFi引入后座娛樂系統(tǒng)。客戶希望在安全性、可靠性和速度方面擁有與在家中和工作時相同的體驗。他們最新最好的智能手機（擁有802.11ax）在家庭和辦公室都很出色，但當他們把它裝進車里時，速度慢得就像烏龜爬。為什么會這樣？這便是802.11ax將扮演關(guān)鍵角色的原因之一。在汽車環(huán)境中，提供無縫WiFi體驗是非常具有挑戰(zhàn)性的。路上有很多車，而你必須在汽車駕駛室內(nèi)處理這些事情。這就是802.11ax要解決的問題。”

現(xiàn)代化的汽車

甚至傳統(tǒng)的汽車IC設(shè)計也在改變。

西門子Mentor事業(yè)部汽車營銷總監(jiān)Andrew Macleod表示：“如果我們看看微控制器，它可能是傳統(tǒng)上體積最大、最復雜的芯片，就可以看到車輛周圍約有100個ECU，每個ECU都有一個微控制器，它可能有16MB的閃存。其中一些芯片嵌入了flash、通信外設(shè)、CAN總線、以太網(wǎng)——芯片通常是單核心。世界上可能有五六家IC公司在設(shè)計零缺陷芯片方面非常專業(yè)，并且具有設(shè)計規(guī)則檢查和測試方法，以適當?shù)娜毕萋噬a(chǎn)這些部件。這是我們在過去15年里所看到的，而且這一點已經(jīng)被充分理解。新世界是由汽車的大趨勢推動的，即自動駕駛和電氣化。我們看到了從帶有微控制器的100 ~ 120個ECU向大型控制器的轉(zhuǎn)變，這在設(shè)計上是完全不同的挑戰(zhàn)。這意味著，現(xiàn)在我們不再關(guān)注相對簡單的微控制器芯片，而是使用AI芯片、GPU和ASIC來管理大規(guī)模計算和低功耗要求，事情正在朝相反的方向發(fā)展。”

這增加了傳統(tǒng)汽車供應(yīng)鏈的復雜性。芯片制造商將芯片賣給一級供應(yīng)商，一級供應(yīng)商將芯片集成到模塊中，然后將模塊賣給汽車制造商。

MacLeod表示：“這意味著我們必須加快開發(fā)這些芯片的速度。突然之間，供應(yīng)鏈正在努力尋求合作，因為我們減少開發(fā)時間的唯一方法是在模擬器中運行一些IP，在晶圓廠造出芯片1年以前編寫軟件。你可以在模擬器中擁有整個SoC或特定IP的一部分。例如，你可以將摹擬的傳感器數(shù)據(jù)（尤其是用于自動駕駛汽車的傳感器融合芯片的數(shù)據(jù)）輸入模擬器。然后，你可以輸出到某個模擬車輛行為的工具。因此，即使沒有芯片，你也可以測試IP、測試算法，看看它對傳感器數(shù)據(jù)的反應(yīng)，并實際看到車輛的動態(tài)響應(yīng)。這對供應(yīng)鏈來說是巨大的挑戰(zhàn)，因為汽車制造商現(xiàn)在正在設(shè)計自己的IC。特斯拉曾多次公開談?wù)撨^這個問題。雖然有些一級供應(yīng)商正在設(shè)計IC，但他們也必須更多地參與到軟件中。大陸汽車收購Elektrobit就是一個很好的例子。此外，IC公司現(xiàn)在正在做ECU。”

一個懸而未決的問題是供應(yīng)鏈中的每個參與者如何增加價值。

MacLeod表示：“合作的模式將成為前進的方向。我們?nèi)绾卧诩然楦偁帉κ钟只榭蛻舻墓局g共享知識產(chǎn)權(quán)？這該如何管理？”

不同的世界

汽車設(shè)計最佳實踐和成本控制是整個半導體行業(yè)正在進行的工作。

Cadence定制IC & PCB部門高級總監(jiān)Ian Dennison指出了一些需要考慮的變化。其中一項涉及可靠性，最佳實踐是在預期15年的汽車模擬和數(shù)字器件使用壽命中減少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，這可能是由于車輛的老化，可能是由于潛在的制造缺陷，也可能是由于車輛遇到了異常的熱應(yīng)力或電磁干擾。

Dennison表示，無論什么原因，IC必須能夠檢測并發(fā)出故障信號，以便采取可能挽救生命的糾正措施，如切換到備用功能，或?qū)④囕v轉(zhuǎn)移到故障安全模式。為了能夠在現(xiàn)代汽車市場做生意，半導體供應(yīng)商需要對其IC進行ASIL評級，以評定他們的故障檢測覆蓋范圍。

對邏輯電路的故障檢查通常是通過軟件診斷、LBIST / MBIST，以及三重投票觸發(fā)器來實現(xiàn)，但是對于模擬電路，通常需要一個專門的芯片檢測程序，這需要對模擬功能有深入的了解。這為模擬模塊增加了相當多的設(shè)計時間和空間。自檢芯片的設(shè)計具有自動化功能，但在ASIL過程中也有手工步驟和專業(yè)判斷要求。最終，半導體供應(yīng)商需要與ISO 26262 / ASIL審核員坐下來處理證據(jù)。實際上，審核組織也在IC設(shè)計過程中提供咨詢服務(wù)。

此外，半導體公司需要了解其汽車客戶。Dennison 表示：“例如，他們是否希望為ASIL D部件（最高評級）花費大量額外投資，或者他們是否會接受ASIL B部件，并通過IC復制和冗余，從其審核員那里尋求更高的ASIL評級？隨著行業(yè)將ISO 26262的設(shè)計推向主流，制定這些職責和降低成本的工作正在進行中。”

OneSpin Solutions公司技術(shù)營銷顧問Tom Anderson表示：“當汽車中的電子設(shè)備只是同步門上鎖/解鎖和車窗的中央控制時，沒有人會過于擔心故障，因為大多數(shù)問題都可以通過恢復到手動來克服，直到可以進行維修。電子儀表盤的可靠性要求提高了一個檔次，因為人們幾乎不可能駕駛沒有顯示的汽車。電子巡航控制對安全要求也有類似的影響，因為一些故障模式（如恒定加速度）可能非常危險。如今，用于危險檢測和平行停車等功能的先進駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）已經(jīng)非常普遍。由于駕駛員開始依賴這種系統(tǒng)，它的可靠性和安全性都必須得到提高。”

這在自動駕駛汽車上尤其受到關(guān)注。

Anderson表示：“最近的撞車事故表明了現(xiàn)有技術(shù)的局限性，也表明了司機想要把所有的控制權(quán)交給尚不完善的系統(tǒng)的意愿。一些沒有按照制造商的指示一直使用手動控制的人已經(jīng)付出了生命。雖然真正的自動駕駛汽車仍是未來的產(chǎn)品，但毫無疑問，許多消費者都希望汽車擁有這種能力，許多制造商正努力實現(xiàn)這種能力。作為回應(yīng)，汽車電子產(chǎn)品開發(fā)人員比以往任何時候都更加關(guān)注可靠性和安全性，同時增加了信任（芯片和系統(tǒng)按照設(shè)計工作，沒有引入后門或木馬程序）和安全性（系統(tǒng)不能被外部攻擊和控制）的挑戰(zhàn)。”

需求處理

汽車和航空航天等市場特有的規(guī)則之一涉及到了需求的處理和跟蹤。

Breker Verification Systems公司首席營銷官Dave Kelf表示：“汽車ISO 26262標準詳細說明了‘系統(tǒng)的’設(shè)計和驗證流程，其中正式規(guī)定了個性化需求。然后，他們將具體的設(shè)計和驗證計劃要素納入個性化需求的驗證范圍，并反饋到原始計劃中。對于一切開發(fā)工作而言，這都是很好的實踐。眾所周知的V-Model展示了這個過程的本質(zhì)，將概念需求分解為詳細的特性，然后將驗證計劃抽象出來，以允許根據(jù)高層次的覆蓋范圍指標對覆蓋范圍進行衡量。”

Kelf說：“這一過程正在變得自動化，新的驗證技術(shù)可以提供幫助。一切驗證工具必須在這些設(shè)計上承擔所需要的覆蓋范圍。確保所有引擎都正確使用，并且在這些引擎之間的覆蓋范圍指標被混合到一個可以根據(jù)需求進行衡量的水平，這需要一種可移植的、抽象的測試和覆蓋方法。這是一種新方法，非常適用于此目的，憑此，需求可以在可執(zhí)行規(guī)范中詳細描述，然后將高級約束應(yīng)用于此規(guī)范，以驅(qū)動每個驗證工具和流程階段的各個場景測試。最后就可以對Portable Stimulus規(guī)范中的抽象路徑覆蓋范圍進行衡量，提供ISO 26262要求的精確度量。需求能夠以可執(zhí)行的規(guī)范方式進行編碼，覆蓋范圍直接應(yīng)用于它們。”

結(jié)論

雖然有許多問題需要解決，許多方法需要探討，但是汽車IC設(shè)計已經(jīng)開始與系統(tǒng)設(shè)計融合。

西門子Mentor事業(yè)部的Macleod 表示：“10年前的世界完全不同。今天，從IC的角度來看，你幾乎是在模仿ECU的某些部分。新IC的特性幾乎與ECU屬于一個類型，到處都是RTL和IP。系統(tǒng)設(shè)計和測試、IP、芯片投產(chǎn)前工作，這些在車輛架構(gòu)、AUTOSAR（汽車開放系統(tǒng)架構(gòu)）和機器學習算法等方面意味著什么？我們會看到這些界限正在變得模糊，我們很有興趣目睹供應(yīng)鏈如何應(yīng)對這一點。汽車制造商想要弄清楚供應(yīng)鏈如何更好地協(xié)作。OEM希望專注于車輛的一部分。他們可能不想設(shè)計每個芯片或每個ECU，但也許對于傳感器融合而言，他們確實想設(shè)計自己的定制芯片，并且他們希望一級供應(yīng)商專注于其他方面。為了實現(xiàn)這一點，供應(yīng)鏈必須進行協(xié)作，因為這些系統(tǒng)不能脫離自動駕駛汽車隔離運行。它們必須是系統(tǒng)的一部分。而且完成所有這些芯片投產(chǎn)前的工作并不是微不足道的任務(wù)。”

雖然前十大半導體公司中的幾家已經(jīng)了解了ISO 26262，但其他一些公司正在轉(zhuǎn)向汽車行業(yè)。他們現(xiàn)在正試圖確定是否或如何遵守ISO 26262。

Synopsys公司的White表示：“你不一定非要遵守ISO 26262。這不像OEM廠商說你必須這樣做。但你最好還是遵守為妙。因為你需要展示工藝流程的可追溯性，以確保EE系統(tǒng)是安全的，不會對人類造成傷害。”