消費(fèi)電子芯片與車規(guī)芯片兩者有什么不同？

消費(fèi)電子芯片與車規(guī)芯片在設(shè)計(jì)時(shí)所做的考量側(cè)重點(diǎn)差異較大，由此帶來(lái)的工藝制程相差較大。如果硬要比個(gè)高低，就好比點(diǎn)評(píng)《天龍八部》里喬峰的“降龍十八掌”與《倚天屠龍記》張無(wú)忌的“九陽(yáng)神功”誰(shuí)更厲害一樣，實(shí)在難以周全，下面cao sir嘗試剖析一番，以饗讀者。

1

兩者的側(cè)重點(diǎn)有所不同

1、手機(jī)芯片：天下武功唯快不破

無(wú)論是手機(jī)、平板、還是機(jī)頂盒、智能穿戴設(shè)備，消費(fèi)電子的芯片在開(kāi)發(fā)階段主要考量性能、功耗、成本三個(gè)方面維度。 在智能機(jī)時(shí)代，芯片的性能強(qiáng)弱已經(jīng)成為衡量一款機(jī)型好壞的重要指標(biāo)，無(wú)論是開(kāi)黑的王者榮耀還是吃雞的和平精英，更加強(qiáng)悍的CPU芯片才能帶來(lái)極致的游戲體驗(yàn)。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(shí)現(xiàn)15萬(wàn)億次/秒的運(yùn)算能：ISP速度達(dá)到了20億像素/秒的處理速度，可以支持2億像素?cái)z像頭。 一塊芯片上數(shù)十億個(gè)晶體管在高頻工作時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量的動(dòng)態(tài)功耗、短路功耗和漏電功耗，如果不加以控制，不僅會(huì)出現(xiàn)計(jì)算錯(cuò)誤的結(jié)果，甚至能將電路的一些部分將熔接在一起，使芯片不可修復(fù)。因此消費(fèi)電子在追求性能的同時(shí)，也要考慮功耗，否則就容易機(jī)身發(fā)燙，待機(jī)時(shí)間縮短，影響使用體驗(yàn)。 在芯片性能越來(lái)越強(qiáng)悍的同時(shí)，芯片的價(jià)格越來(lái)越貴，所占手機(jī)總成本的比例也越來(lái)越高。以高通驍龍865為例，成本在700元左右，占所搭載的機(jī)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(jià)的16%、P40售價(jià)的10%、P40 PRO售價(jià)的7%、P40 pro plus售價(jià)的5%；聯(lián)發(fā)科天璣1000的價(jià)格是280元，約占OPPO Reno3售價(jià)的9.8%；因此無(wú)論是從提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力還是增加企業(yè)利潤(rùn)角度，都需要控制芯片成本。

不同芯片的性能排行榜

2、汽車芯片：穩(wěn)定壓倒一切

由于汽車作為交通工具的特殊性，汽車芯片非常看重可靠性、安全性和長(zhǎng)效性！為什么首推可靠性？因?yàn)檐囈?guī)芯片：首先、汽車的工作環(huán)境更惡劣發(fā)動(dòng)機(jī)艙的溫度范圍在-40°C~150°C之間，因此汽車芯片需要滿足這種大范圍溫度工作范圍，而消費(fèi)芯片只需滿足0°C~70°C工作環(huán)境。再加上汽車在行進(jìn)過(guò)程中會(huì)遭遇更多的振動(dòng)和沖擊，以及汽車上的環(huán)境濕度、粉塵、侵蝕都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于消費(fèi)芯片的要求。其次、汽車產(chǎn)品的設(shè)計(jì)壽命更長(zhǎng)手機(jī)的生命周期在3年，最多不超過(guò)5年，而汽車設(shè)計(jì)壽命普遍都在 15 年或 20 萬(wàn) 公里左右，遠(yuǎn)大于消費(fèi)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(zhǎng)達(dá)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(wèn)題。而且，汽車芯片的安全性也尤為重要汽車芯片安全性包括功能安全和信息安全兩部分。 手機(jī)芯片死機(jī)了可以關(guān)機(jī)重啟，但是汽車芯片如果宕機(jī)了可能會(huì)造成嚴(yán)重的安全事故，對(duì)消費(fèi)者來(lái)講是完全沒(méi)有辦法接受的。所以，汽車芯片在設(shè)計(jì)的時(shí)候，從架構(gòu)設(shè)計(jì)開(kāi)始就要把功能安全作為車規(guī)芯片非常重要的一部分，采用獨(dú)立的安全島的設(shè)計(jì)，在關(guān)鍵模塊、計(jì)算模塊、總線、內(nèi)存等等都有ECC、CRC的數(shù)據(jù)校驗(yàn)，包括整個(gè)生產(chǎn)過(guò)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)的普及，信息安全的重要性越來(lái)越凸顯出來(lái)，汽車作為一個(gè)實(shí)時(shí)在線的設(shè)備，它跟網(wǎng)絡(luò)之間的通信，包括跟車內(nèi)車載網(wǎng)絡(luò)的通信，都需要進(jìn)行數(shù)據(jù)的加密，否則可能會(huì)黑客的攻擊。所以，需要事先在芯片中內(nèi)置高性能的加密校驗(yàn)?zāi)K。 針對(duì)功能安全，國(guó)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：

最后，汽車芯片設(shè)計(jì)還要考慮長(zhǎng)效性手機(jī)芯片的發(fā)展基本遵循摩爾定律，每年都會(huì)發(fā)布新一代芯片，每年都有新旗艦機(jī)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。但是汽車的開(kāi)發(fā)周期比較長(zhǎng)，一款新車型從開(kāi)發(fā)到上市驗(yàn)證至少要經(jīng)過(guò)兩年以上的時(shí)間，這就意味著汽車芯片設(shè)計(jì)要有前瞻性，要能滿足客戶在未來(lái)3到5年的一個(gè)前瞻性需求。另外，由于現(xiàn)在汽車上的軟件越來(lái)越多，從芯片開(kāi)發(fā)的角度來(lái)說(shuō)，不僅僅要支持多操作系統(tǒng)，同時(shí)還要支持在軟件上持續(xù)迭代的需求。 因此車規(guī)級(jí)芯片呈現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化周期漫長(zhǎng)，供應(yīng)體系門(mén)檻高的特點(diǎn)。進(jìn)入汽車電子主流供應(yīng)鏈體系需滿足多項(xiàng)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(dòng)零件)可靠度標(biāo)準(zhǔn)；遵從汽車電子、軟件功能安全國(guó)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；滿足ISO21434網(wǎng)絡(luò)安全，合理保障車輛和系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全；符合零失效的供應(yīng)鏈品質(zhì)管理標(biāo)準(zhǔn)IATF 16949規(guī)范?；旧弦豢钚酒囈?guī)級(jí)的認(rèn)證通常需要3-5年時(shí)間，對(duì)芯片廠商而言是極大的技術(shù)、生產(chǎn)、時(shí)間成本的考驗(yàn)。Mobileye 用了整整8年才獲得第一張車企訂單，英偉達(dá)當(dāng)前主力芯片Xavier的研發(fā)耗資達(dá) 20 億美元。

2

兩者使用的工藝制程不同

在芯片的生產(chǎn)過(guò)程中，縮小芯片內(nèi)部電路之間的距離可以在更小的芯片中塞入更多的晶體管，讓芯片的運(yùn)算性能更強(qiáng)大，還可以帶來(lái)降低功耗的效果。因此，從較早的微米，到后來(lái)的納米，芯片都非常重視制程工藝的尺寸。不過(guò)，制程并不能無(wú)限制的縮小，當(dāng)將電晶體縮小到 20 納米左右時(shí)，就會(huì)遇到量子物理中的問(wèn)題，晶體管出現(xiàn)漏電的現(xiàn)象，抵銷縮小柵極長(zhǎng)度時(shí)獲得的效益。為了解決這個(gè)問(wèn)題，加州大學(xué)伯克利分校的胡正明教授發(fā)明了鰭式場(chǎng)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(jī)芯片工藝制程從較早的90納米，到后來(lái)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(jī)芯片的制程尺寸正在向1納米進(jìn)發(fā)。

在傳統(tǒng)車用芯片制備中，由于汽車本身空間較大，對(duì)集成度的需求沒(méi)有手機(jī)等消費(fèi)電子緊迫。加上車用芯片主要集中在發(fā)電機(jī)、底盤(pán)、安全、車燈控制等低算力領(lǐng)域，因此汽車芯片并未像消費(fèi)電子芯片一樣瘋狂追求先進(jìn)的制程工藝，而往往優(yōu)先考慮制程工藝的成熟性。不過(guò)隨著汽車智能化的發(fā)展，更高級(jí)別的自動(dòng)駕駛對(duì)高算力的急迫需求，將推動(dòng)著汽車算力平臺(tái)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(jì)算平臺(tái)。

3

國(guó)產(chǎn)汽車芯片的未來(lái)

曾經(jīng)，汽車芯片市場(chǎng)由于市場(chǎng)規(guī)模有限，是一個(gè)非常小眾的市場(chǎng)，因此，鮮有外來(lái)的入局者，幾十年來(lái)一直被恩智浦、德州儀器、瑞薩半導(dǎo)體等汽車芯片巨頭所壟斷。隨著汽車的電子化、智能化的發(fā)展，汽車電子系統(tǒng)市場(chǎng)規(guī)模逐年擴(kuò)大，三星、英特爾、高通、英偉達(dá)、賽靈思等頂級(jí)芯片企業(yè)也紛紛涉足汽車芯片，同樣也為我國(guó)企業(yè)創(chuàng)造了‘變中求機(jī)’的發(fā)展態(tài)勢(shì)。

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(jí)MCU芯片訂單，標(biāo)志國(guó)內(nèi)首款通過(guò)AEC-100 Grade1的車規(guī)級(jí)MCU正式量產(chǎn)上市，打破國(guó)外技術(shù)壟斷。 在主控芯片領(lǐng)域，華為基于昇騰、昇騰、麒麟系列芯片實(shí)現(xiàn)了汽車智能計(jì)算平臺(tái)的完整布局，地平線率先將AI芯片實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)上車。 在車載存儲(chǔ)芯片領(lǐng)域，兆易創(chuàng)新與合肥長(zhǎng)鑫密切合作，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(guó)產(chǎn)化車規(guī)存儲(chǔ)器解決方案；宏旺半導(dǎo)體推出eMMC/DDR/LPDDR/SSD/DIMM等嵌入式存儲(chǔ)、移動(dòng)存儲(chǔ)，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(jì)為全球數(shù)百萬(wàn)輛汽車提供4G通信模組，5G模組也已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)上車；C-V2X領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)涌現(xiàn)出華為、大唐、高新興、移遠(yuǎn)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(shí)現(xiàn)C-V2X車規(guī)級(jí)模組DMD3A量產(chǎn)。國(guó)外企業(yè)高通與高新興、移遠(yuǎn)通信等國(guó)內(nèi)模組廠商廣泛合作，推動(dòng)C-V2X芯片組在中國(guó)的推廣應(yīng)用，Autotalks積極與大唐等中國(guó)廠商進(jìn)行C-V2X芯片組級(jí)互操作測(cè)試。 在功率芯片領(lǐng)域，MOSFET方面，聞泰科技占據(jù)全球4%的市場(chǎng)份額，華潤(rùn)微電子在國(guó)內(nèi)MOSFET市場(chǎng)占比8.7%；IGBT方面，中國(guó)企業(yè)主要有株洲中車時(shí)代電氣、比亞迪、斯達(dá)股份、上海先進(jìn)等。

總體而言，我國(guó)芯片產(chǎn)業(yè)起步較晚，基礎(chǔ)薄弱，同時(shí)車規(guī)級(jí)的開(kāi)發(fā)和量產(chǎn)應(yīng)用面臨諸多制約因素。在國(guó)外的芯片巨頭仍占據(jù)著中國(guó)國(guó)內(nèi)的車用半導(dǎo)體芯片市場(chǎng)，國(guó)內(nèi)企業(yè)在技術(shù)積累、資金、人才等方面無(wú)法與國(guó)際巨頭抗衡的背景下，中國(guó)汽車芯片產(chǎn)業(yè)的突破和強(qiáng)大并非一朝一夕之功，需要立足當(dāng)下，遵循產(chǎn)業(yè)發(fā)展的客觀規(guī)律，警惕畢其功于一役的投機(jī)思維，防止出現(xiàn)投資過(guò)熱和盲目低水平重復(fù)建設(shè)，緊抓智能網(wǎng)聯(lián)和新能源發(fā)展機(jī)遇，才能實(shí)現(xiàn)從單點(diǎn)突破到生態(tài)突圍。隨著中國(guó)智能汽車市場(chǎng)的發(fā)展和國(guó)家對(duì)國(guó)產(chǎn)芯片企業(yè)的扶持，相信：中“芯”之火，必將燎原！

原文標(biāo)題：技術(shù)|車規(guī)芯片與消費(fèi)電子芯片有何不同？

文章出處：【微信公眾號(hào)：汽車工程師】歡迎添加關(guān)注！文章轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。

責(zé)任編輯：haq