如何從三個(gè)維度分析車規(guī)芯片和消費(fèi)電子芯片

消費(fèi)電子芯片和車規(guī)芯片的設(shè)計(jì)考慮重點(diǎn)有很大不同，導(dǎo)致工藝制程也有很大不同。硬要比高低的話，像評(píng)論《天龍八部》中喬峰“降龍十八掌”和《倚天屠龍記》中張無忌“九陽神功”孰強(qiáng)孰弱，確實(shí)很難面面俱到，下面小編嘗試剖析一番，以饗讀者。

兩者的側(cè)重點(diǎn)有所不同

手機(jī)芯片：天下武功唯快不破

不管是手機(jī)，平板電腦，機(jī)頂盒還是智能穿戴設(shè)備消費(fèi)電子芯片，在研發(fā)階段都會(huì)考慮性能，功耗和成本等三個(gè)方面維度。

智能機(jī)時(shí)代芯片性能強(qiáng)與弱成為了評(píng)價(jià)一個(gè)型號(hào)優(yōu)劣的重要標(biāo)準(zhǔn)，不管是開黑王者榮耀，還是吃雞和平精英都可以用更強(qiáng)的CPU芯片來帶來極致游戲感受。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，甚至可以把電路中某些環(huán)節(jié)會(huì)融合到一起而使得芯片無法修復(fù)。所以消費(fèi)電子除了追求性能外，還要兼顧功耗問題，不然很容易出現(xiàn)機(jī)身燙手、待機(jī)時(shí)間減少、使用體驗(yàn)下降等問題。

隨著芯片性能的日益強(qiáng)悍，芯片價(jià)格不斷上漲，在手機(jī)總成本中占據(jù)了越來越大的份額。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%；所以不管是從提升產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力或者是提升企業(yè)利潤(rùn)的角度來看，對(duì)芯片成本進(jìn)行控制是非常有必要的。

不同芯片的性能排行榜

汽車芯片：穩(wěn)定壓倒一切

汽車芯片因其交通工具的特殊性而十分注重可靠性，安全性及長(zhǎng)效性！

為何首推可靠性？由于車規(guī)芯片的特點(diǎn)：

一、是車輛運(yùn)行環(huán)境惡劣

發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)溫度區(qū)間為-40°C~150°C，所以車輛芯片要滿足這一較大溫度運(yùn)行區(qū)間，消費(fèi)芯片僅要滿足0°C~70°C的運(yùn)行環(huán)境。加之車輛行進(jìn)時(shí)會(huì)遇到較多振動(dòng)與沖擊，且車內(nèi)環(huán)境濕度大，粉塵大，侵蝕大等問題遠(yuǎn)超消費(fèi)芯片所需。

二、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5年，而汽車設(shè)計(jì)壽命普遍都在 15 年或 20 萬 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題。

并且，安全在汽車芯片中還顯得格外重要

汽車芯片的安全主要由功能安全與信息安全兩個(gè)方面組成。

手機(jī)芯片死掉可以停機(jī)重新啟動(dòng)，但一旦汽車芯片宕機(jī)就有可能引發(fā)嚴(yán)重安全事故，這對(duì)于消費(fèi)者而言根本無從談起。因此，在汽車芯片設(shè)計(jì)時(shí)，首先要將功能安全放在架構(gòu)設(shè)計(jì)之初就成為車規(guī)芯片中極為重要的組成部分，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)技術(shù)的推廣，信息安全變得越來越重要，汽車作為實(shí)時(shí)在線設(shè)備，其與網(wǎng)絡(luò)的溝通包括與車內(nèi)車載網(wǎng)絡(luò)溝通，都要加密數(shù)據(jù)，不然就有可能被黑客入侵。因此有必要預(yù)先將高性能加密校驗(yàn)?zāi)K嵌入到芯片內(nèi)部。

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。但汽車開發(fā)周期較長(zhǎng)，新車型從研發(fā)到上市驗(yàn)證需要至少兩年的時(shí)間，意味著汽車芯片設(shè)計(jì)必須具有前瞻性，能夠滿足顧客今后3~5年內(nèi)的一種前瞻性需求。此外，隨著當(dāng)前汽車中軟件數(shù)量的不斷增加，從芯片開發(fā)角度看，不僅需要支持多個(gè)操作系統(tǒng)，而且還需要支持軟件中不斷迭代的要求。

所以車規(guī)級(jí)芯片表現(xiàn)出產(chǎn)業(yè)化周期長(zhǎng)、供應(yīng)體系閾值高等特點(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；符合ISO21434網(wǎng)絡(luò)安全要求，合理保證車輛及系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全；滿足零失效供應(yīng)鏈品質(zhì)管理準(zhǔn)則IATF 16949標(biāo)準(zhǔn)。基本上一個(gè)芯片車規(guī)級(jí)認(rèn)證一般需要3-5年的時(shí)間，這對(duì)于芯片廠商來說是巨大的技術(shù)成本，生產(chǎn)成本和時(shí)間成本考驗(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。

兩者使用的工藝制程不同

芯片制作時(shí)，減小芯片內(nèi)部電路間距離能將較少晶體管塞到較少芯片上，使其運(yùn)算性能較強(qiáng)，同時(shí)也能帶來降低功耗。所以從早期微米到晚期納米芯片對(duì)制程工藝大小十分重視。然而制程不可能無限地收縮，電晶體收縮至約20納米時(shí)會(huì)遭遇量子物理上的困擾，晶體管漏電，抵消了收縮柵極長(zhǎng)度所帶來的好處。為了解決這個(gè)問題，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)。

傳統(tǒng)車用芯片的制備，因汽車自身空間大，集成度要求不如手機(jī)這種消費(fèi)電子迫切。加之車用芯片以發(fā)電機(jī)，底盤，安全和車燈控制等為核心的低算力領(lǐng)域使得汽車芯片并沒有象消費(fèi)電子芯片那樣狂熱地追逐高級(jí)制程工藝，而是傾向于優(yōu)先選擇成熟的制程工藝。不過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)。

國(guó)產(chǎn)汽車芯片的未來

曾幾何時(shí)，汽車芯片市場(chǎng)因其市場(chǎng)規(guī)模的限制而變得十分小眾，所以很少有外來入局者進(jìn)入，數(shù)十年間都為恩智浦，德州儀器和瑞薩半導(dǎo)體這些汽車芯片巨頭壟斷著。隨著汽車電子化和智能化水平的不斷提高，汽車電子系統(tǒng)的市場(chǎng)規(guī)模在逐年增大，三星，英特爾，高通，英偉達(dá)，賽靈思等頂尖芯片企業(yè)相繼涉足汽車芯片領(lǐng)域，同樣給我國(guó)企業(yè)營(yíng)造出一種‘變中求機(jī)’的局面。

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AEC-100 Grade1的車規(guī)級(jí)MCU正式量產(chǎn)上市，打破國(guó)外的技術(shù)壟斷。

在主控芯片方面，華為以昇騰，昇騰和麒麟等系列芯片為核心，完整地布局汽車智能計(jì)算平臺(tái)，地平線則率先量產(chǎn)AI芯片上車。

車載存儲(chǔ)芯片方面兆易創(chuàng)新和合肥長(zhǎng)鑫緊密合作，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)外公司高通和國(guó)內(nèi)模組廠商如高新興和移遠(yuǎn)通信的廣泛合作促進(jìn)了C-V2X芯片組的推廣和應(yīng)用，Autotalks也積極和大唐及其他國(guó)內(nèi)廠商開展C-V2X芯片的互操作實(shí)驗(yàn)。

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，國(guó)內(nèi)公司以株洲中車時(shí)代電氣，比亞迪，斯達(dá)股份和上海先進(jìn)為主。

從整體上看，中國(guó)芯片產(chǎn)業(yè)起步晚、基礎(chǔ)差，在車規(guī)級(jí)研發(fā)與量產(chǎn)應(yīng)用過程中也面臨著很多限制。國(guó)外芯片巨頭依然占領(lǐng)中國(guó)本土車用半導(dǎo)體芯片市場(chǎng)國(guó)內(nèi)公司技術(shù)積累，資金和人才都不能和國(guó)際巨頭競(jìng)爭(zhēng)大環(huán)境，中國(guó)汽車芯片產(chǎn)業(yè)要想取得突破并走向強(qiáng)盛，不是一蹴而就的，必須立足于現(xiàn)在，按照行業(yè)發(fā)展客觀規(guī)律辦事，謹(jǐn)防畢其功于一役投機(jī)思維，防止出現(xiàn)投資過熱、盲目低水平重復(fù)建設(shè)等問題，抓住智能網(wǎng)聯(lián)與新能源的發(fā)展契機(jī)，才有可能由單點(diǎn)突破向生態(tài)突圍轉(zhuǎn)變。

編輯：黃飛

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