以前大眾很少關注的“汽車芯片”，隨著汽車廠商缺芯減產的新聞進入了大眾視野。汽車芯片短缺問題自去年底爆發以來，在全球范圍內影響了大部分主流汽車制造商。市場調研機構IHS Markit發布的一份白皮書顯示，在沒有考慮德克薩斯州停電和日本地震的情況下，芯片短缺會導致2021年一季度全球減產100萬輛汽車，短缺現象將持續到三季度。

汽車芯片短缺的原因，在于需求增加、疫情影響、意外事件影響等。而要解決短缺的問題，我們首先需要弄清楚汽車芯片與消費類芯片有的不同之處，并尋找加快芯片設計的突圍之策。

汽車芯片的特殊性

汽車級芯片的設計與消費級芯片是有很大區別的，設計一款車規級芯片需要有需求管理、安全關鍵設計、功能故障仿真、審查和報告，以及第三方評估的安全認證。

▲汽車SoC的設計挑戰。（來源：Synopsys）

這里面最重要的兩個關鍵點是安全性和可靠性。其中安全性包括系統安全和功能安全，在系統安全方面，各類安全算法IP是必須的；功能安全方面，獨立的安全管理處理器同樣必不可少。

根據新版IOS 26262-2018標準的定義，功能安全是指不存在由于電氣和電子系統故障行為引起的危險而造成的不合理風險。包括IP在內的所有汽車產品必須滿足該新標準所定義的功能安全要求。

由于汽車級產品的功能安全要求，設計者在設計之初就必須考慮，在產品設計制造，或者運行的過程中，是否存在系統性故障？如果產品在運行的過程中遇到隨機硬件故障，比如電壓尖峰、宇宙輻射等，該怎么辦？產品能自己應付嗎，可能會導致事故嗎？

▲減少汽車產品問題的方法。（來源：Synopsys）

當然，除了需要考慮這些問題之外，更加重要的是，需要考慮如何預防，或者減少這些情況的發生，或者發生時盡可能地防止嚴重事故產生。這里分為：一是產品在開發與制造過程中的問題，這個一般可以通過仿真和驗證來發現和消除錯誤；還有一個是產品運行過程中發生的故障，這個又分為系統性故障和隨機故障，系統性故障可以通過應用過程或設計措施來防止確定性原因，隨機故障則需要采取故障注入測試等措施來提前發現和預防。

在新思科技接口IP產品線的工程師團隊看來，汽車級的產品的可靠性需求更貼近于硬化IP，其中有兩個重要的部分，一是PPM指標，二是溫度任務概述定義。

▲以汽車級產品與消費級產品的可靠性對比。

從上圖的PPM曲線可以看出，與消費級產品相比，汽車級產品通常有更長的壽命要求，一般是15到20年，PPM曲線要求更低，一般是低于1，甚至為零。

因為哪怕是一個小小的汽車級半導體發生故障，就有可能引起交通事故、導致人員傷亡。因此，必須保證“零不良率”。無論是生產100萬個產品，還是生產1000萬個產品，都要保證100%良率。

當然，這個要求是可以理解的，但是卻是無法實現的，因為無法使批量生產的工業產品達到100%良率。為了實現這個良率，一般在生產汽車級芯片時，對半導體工廠實行“產線認定”。認定時間一般需要半年到一年。而且，一旦該產線被認定為生產汽車級產品之后，原則上是不可以更改生產設備和制程條件的。

對于溫度任務概述的定義，一般情況下，汽車級產品需要在-40℃~150℃范圍內都能正常工作，而消費級產品只需要能在0℃~125℃范圍內正常工作就可以了。

美國汽車電子協會制定出了AEC-Q100標準來衡量汽車級產品的可靠性等級。所有的汽車級電子產品都要通過這一衡量標準。該標準包括故障仿真和故障分級、加速環境壓力測試、加速壽命仿真測試、可靠性測試（比如電遷移）、以及電氣驗證測試（例如ESD、閂鎖）等。

如何加快汽車級芯片設計速度

如今，人們對汽車的需求并不僅僅只是代步，也有了舒適性、娛樂性，以及自動化方面的要求。而隨著人們對這些需求越來越高，汽車上原有的汽車架構也需要變化，來滿足這些需求。因此汽車級芯片也隨著這些需求的增長，變得越來越龐大和復雜。

▲汽車ADAS應用。（來源：Synposys）

比如ADAS需要使用到的SoC芯片，會需要用到通用多核高性能處理器、高帶寬傳輸的LPDDR5/4等；在視覺處理子系統中，由于需要處理雷達、攝像頭等多類傳感器收集的數據，就需要利用MIPI接口來傳輸數據、DSP來處理數據，也需要用到AI加速器來識別數據，以完成汽車對外界的感知；經過處理器處理后的信息需要在GPU的支持下，通過DP、eDP、甚至HDMI、MIPI DSI等接口輸出到各類型的屏幕上，供駕駛員查看。

▲汽車級SoC架構圖。（來源：Synopsys）

此外，由于ADAS需要快速處理海量信息，并及時完成相應，對SoC性能要求非常高，因此在芯片制程上，ADAS走在最前沿，目前在由14nm向7nm演進，激進的廠商已經率先使用了5nm制程，甚至更加先進的制程。

車載娛樂用的SoC芯片緊隨其后，開始從28nm向16nm演進，甚至目前已經開始出現7nm制程的需求了。

網關用SoC相對而言對性能要求沒有那么高，目前正穩步從28nm向16nm推進。

汽車級芯片產品的要求和復雜性都在不斷上升，那么芯片廠商如何能夠快速地打造一款滿足市場需求的產品呢？答案當然是有！

為了減少組裝和將IP集成到SoC中的總體工作量和成本，新思科技推出了符合ISO 9001 質量和ISO 26262功能安全流程的DesignWare IP子系統，能幫助客戶打造符合市場要求，和滿足ASIL安全標準SoC產品，加快產品上市速度。

新思科技的這些子系統由預先驗證且全集成的解決方案組成，可利用新思科技的汽車IP以及面向特定SoC應用的工具。

▲新思科技面向汽車應用的DesignWare IP組合。

此外，DesignWare IP 子系統還提供額外的功能和價值，而不僅僅是簡單地集成PHY和控制器，例如在PHY和控制器之間提供通用寄存器接口以及調試邏輯等。接口IP子系統中包括面向汽車的關鍵協議，如 DDR、PCIe、USB、MIPI 和以太網，以及多協議子系統等。

比如，在2020年10月份，新思科技交付了業內首個符合ISO 26262的ASIL D級處理器IP核DesignWare ARC EM22FS，它是基于超緊湊型ARC EM處理器系列的雙核鎖步處理器IP核。此IP核包括全面的安全文件，如故障模式、影響和診斷分析（FMEDA）、安全手冊、安全案例報告、ISO 26262功能安全評估報告以及其他安全相關文件，以加快汽車SoC的功能安全分析和認證。據悉，目前，DesignWare ARC EM22FS功能安全處理器和ARC MetaWare安全工具包已有現貨供應。

當然，除IP子系統外，新思科技還提供了DesignWare IP虛擬器開發套件 （IP VDK），使軟件工程師能夠在硬件設計完成前提前幾個月開始軟件開發工作，從而在芯片到位后的幾天內啟動整個系統。

IP VDK 包括用于汽車 SoC 中常用處理器子系統的參考虛擬原型。IP VDK 能夠提供可配置的 DesignWare IP 模型以及Linux 軟件堆棧和參考驅動程序。

結束語

汽車級芯片與消費級芯片相比，不論是其復雜性，還是對質量和可靠性的要求，差別都非常大。這幾年來，國產芯片在消費級芯片方面的很多領域發展速度都很快，替換了不少國外芯片廠商的產品。現在在汽車領域，國產芯片企業也有大量的機會。

特別是目前廣大車企正在為芯片供應頭疼的時候，如果國產芯片企業能夠利用自身和外界可以利用的優勢，快速設計，并生產出滿足汽車級產品特殊要求的產品，肯定是能夠獲得客戶的認可。

而新思科技的DesignWare IP解決方案可用于車載信息娛樂系統、駕駛員高級輔助系統（ADAS）、網關和主流微控制器（MCU），并能夠確保汽車應用的高質量和可靠性。并且DesignWare IP采用了經過ISO 9001認證的質量管理系統，執行的是IATF 16949標準適用條款，完全能夠滿足其他嚴格的汽車質量要求。也就是說，新思科技提供的DesignWare IP組合可以幫助汽車SoC設計工程師，更加快速地設計出適合市場需求的車規級SoC芯片來。

原文標題：汽車芯片緊缺，如何提升車規級芯片的設計速度？

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責任編輯：haq