汽車電子SOC芯片接口IP的挑戰(zhàn)和解決方案

2022年9月，由Design & Reuse主辦的 IP SoC China 2022在線上召開。本次活動旨在推廣 IP（硅知識產(chǎn)權(quán)）以及相關(guān) IP 的電子系統(tǒng)，促進全球知識產(chǎn)權(quán)知識共享，為電子行業(yè)創(chuàng)新提供源源不斷的新動力。 ? ?

芯耀輝受邀出席本次線上虛擬大會，由芯耀輝技術(shù)支持總監(jiān)劉好朋為觀眾帶來《IP助力汽車電子SoC發(fā)展》的主題演講，分析市場趨勢，解鎖IP車規(guī)應(yīng)用的創(chuàng)新思路。以下為演講內(nèi)容整理，歡迎點擊“閱讀原文”直擊演講現(xiàn)場。

汽車電子市場簡述和趨勢分析

過去15年，生活中的電子設(shè)備經(jīng)歷了從簡單功能到復(fù)雜應(yīng)用的智能化過程，依賴于最新的基礎(chǔ)技術(shù)如5G、人工智能、高帶寬、核心網(wǎng)絡(luò)等，智能設(shè)備可以隨時處理復(fù)雜場景和功能。

智能汽車是搭載先進傳感系統(tǒng)、決策系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)，運用信息通信、互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等新技術(shù)，具有部分或完全自動駕駛功能，由單純交通運輸工具逐步向智能移動空間轉(zhuǎn)變的新一代汽車。

圖1

根據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會研報（圖1），在經(jīng)歷了2019年、2020年汽車銷量的負增長后，2021年中國汽車總銷量為2,610萬輛，同比增長3.1%。在接下來幾年的連續(xù)增長趨勢下，2025年中國汽車市場銷量有望達到3000萬輛左右。由于汽車的平均單價高，這將是一個基數(shù)龐大的存量市場。

汽車電動化和智能化推動汽車芯片的強烈需求，如圖2所示，2020年，我國智能網(wǎng)聯(lián)功能新車滲透率達48.8%，預(yù)計到2025年，新車滲透率可以達到75.9%，實現(xiàn)真正意義上的普及。

圖2 ? ?

同時，汽車電動化也為汽車半導(dǎo)體提供了新的增長空間。按照單車半導(dǎo)體價值測算的傳統(tǒng)燃油車的半導(dǎo)體平均價值量為417美元；48V/微混型汽車相較傳統(tǒng)燃油車半導(dǎo)體單車價值量增加了114美元；全混/插電式類型車的半導(dǎo)體增加了368美元；純電動型車的半導(dǎo)體增加了358美元，估計特斯拉單車增量在400美元左右。智能汽車引入了如車身控制、動力安全、自動駕駛、智能座艙等多種新功能，這些功能都需要大量的芯片來提供支持。從自動駕駛等級來看，L1/L2的芯片價值約為100-150美元，L3可以達到600美元，L4/L5更是可以達到900甚至是1,200美元。所以汽車電子芯片特別是自動駕駛芯片，已經(jīng)成為本土廠商角逐的主戰(zhàn)場。

除此以外，智能座艙也是汽車智能化的主要增量市場。根據(jù) ICVtank 預(yù)測，到2026年，全球自動駕駛市場規(guī)模將達687億美元，CAGR達25.4%，智能座艙市場規(guī)模將達440億美元，CAGR約11.3%，中國市場年復(fù)合增速達11.6%，領(lǐng)先全球增長。智能汽車領(lǐng)域有很多細分市場帶來新的機遇，比如屏顯、頭上顯示、智能環(huán)視、域控制器、自動駕駛等。自主車企和零部件供應(yīng)商有望實現(xiàn)彎道超車，本土廠商在崛起的同時也不得不面對傳統(tǒng)汽車芯片和新興消費芯片巨頭的競爭，芯耀輝的優(yōu)勢在于立足本土，深刻理解市場和應(yīng)用需求，與國內(nèi)主機廠聯(lián)合開發(fā)，這樣就能在成本和性能上具有較大優(yōu)勢。

智能化推動汽車電子芯片SoC化

汽車架構(gòu)經(jīng)歷了分布式到域集中式的發(fā)展，之后會向中央計算式演進，總的趨勢是ECU的數(shù)量在不斷的減少，控制和計算不斷中心化，未來更是會實現(xiàn)本地和云的協(xié)同化。每一輛車都是一個流動的數(shù)據(jù)終端，時時刻刻都在進行本地和遠程的協(xié)同運算和控制，實現(xiàn)車和車之間、車和各種基礎(chǔ)設(shè)施間的實時通信，這些趨勢都在推動汽車芯片設(shè)計SoC化。

以智能座艙為例，國外的廠商如高通、三星、英特爾，國內(nèi)的廠商如地平線、芯馳等爭先推出新品，CPU、GPU的算力不斷提升。以高通8155的7nm工藝芯片為例，加入NPU，算力可以達到4TOPS；車廠還逐步在引入高通8295的5nm工藝芯片，其性能提升最明顯的仍是NPU，NPU的強化極大的提升了智能化和用戶的體驗，這是智能座艙的主要發(fā)展方向之一。

自動駕駛更是算力為王。以英偉達為代表的非傳統(tǒng)汽車芯片廠商大力發(fā)布新品，快速占領(lǐng)市場，高通也是不遺余力。如圖3的算力排行榜所示，高通的混合方案排名第1，第2名到第6名被英偉達占據(jù)，除了深度學(xué)習(xí)的算力和效能外，自動駕駛芯片還要求支持多種傳感器的輸入、軟件開發(fā)的便利性、獲得功能安全認證和提供完整開放的解決方案，可見汽車電子芯片和系統(tǒng)設(shè)計并非易事。

圖3（來源：Yole、英偉達、

中?公司研究部、云岫資本整理）

汽車電子SOC芯片接口IP的挑戰(zhàn)和解決方案

以復(fù)雜的自動駕駛芯片為例（圖4），將主流的ADAS芯片做一個多維度的比較。目前，單芯片算力達到200TOPS以上，能效比也在3以上，普遍是16nm以下工藝，最高可達5nm。接口IP是其中最復(fù)雜的部分，包括了像LPDDR、PCIe、以太網(wǎng)、MIPI、顯示接口HDMI以及通用的USB接口等。這些接口IP的配置和主流手機非常接近，但規(guī)格上要晚一代。這是由于技術(shù)更加成熟、可靠性更高、供應(yīng)更穩(wěn)定。這也印證了車規(guī)SoC開發(fā)周期遠大于消費級產(chǎn)品，再考慮到上市前的復(fù)雜的測試過程，普通的消費者體驗的時間還會更晚。

圖4 ? ?

圖5是汽車電子核心總線接口的演變和發(fā)展趨勢。美國汽車工程師協(xié)會SAE按照車上網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的性能把汽車網(wǎng)絡(luò)劃分為幾個不同的等級。這些總線適用于汽車的不同部件和應(yīng)用，隨著汽車的發(fā)展，這些總線的技術(shù)出現(xiàn)了瓶頸。一些消費電子成熟的技術(shù)已經(jīng)漸漸的移植到了汽車中，比如車載以太網(wǎng)的興起；結(jié)合IEEE提出的TSN（時間敏感網(wǎng)絡(luò)）一系列的標準，TSN在傳統(tǒng)的以太網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，用精準的時間同步通過保障帶寬來限制傳輸延遲，提供高級別服務(wù)質(zhì)量以支持各種基于音視頻的媒體的應(yīng)用。車載以太網(wǎng)有望在2025年達到25Gbps的高帶寬，車上還引入了多媒體接口，比如像LVDSMIPI、HDMI、DP，還有MIPI組織現(xiàn)在正在推廣的A-PHY，以及可拓展的接口比如：PCIe、USB等。總之，帶寬越來越高，功能越來越復(fù)雜，迭代越來越快，總線和接口的需求有多元化的趨勢。

圖5

汽車電子需要車規(guī)工藝，同樣也需要車規(guī)IP，然而車規(guī)IP和消費電子IP差別很大。

首先是可靠性的區(qū)別。車規(guī)根據(jù)等級不同，環(huán)境溫度的容限差別非常大，在使用壽命和失效率方面差別也很明顯。AEC組織有很多不同的標準，適用于芯片IP，業(yè)界廣泛使用的是ACE-Q100的車規(guī)驗證標準。除此之外，汽車電子的設(shè)計使用壽命至少是10年，一般會以15年以上，失效率在使用壽命期基本上是在1ppm，也就是百萬分之一以下。

車規(guī)IP的可靠性要求相較于消費類IP，會有大量的、額外的復(fù)雜工作。主要是在工作溫度、耐久性和可靠度上的差異，詳見圖6。不同的Tier 1 廠商對于Mission Profile的定義也不盡相同，作為IP廠商也有自己的獨到見解。芯耀輝會與客戶、foundry合作，共同定義切合實際的Mission Profile，并結(jié)合車規(guī)的工藝和車規(guī)相關(guān)的設(shè)計數(shù)據(jù)進行嚴格的仿真驗證，這也間接的延長了車規(guī)芯片的開發(fā)周期。

圖6 ?

圖7 ? ?

功能安全性對于車規(guī)級芯片也是至關(guān)重要的（圖7），特別是對人身安全有關(guān)聯(lián)的部件和模組，國際標準化組織定義了ISO 26262標準來規(guī)范不同的安全等級。由QM開始，每一級別的SPFM和LFM逐級提高，帶來更低的隨機硬件故障率。以此來看對IP的要求，就像可靠性AEC-Q100那樣需要很多的額外工作和流程的介入。IP重用的好處就是可以隱去中間巨量的繁瑣過程和時間開銷。最終用戶可以從IP供應(yīng)商處獲得 safety package，包含了像DFMEA、FMEDA、Safety Manual、認證證書等，這樣可以大大的加速車規(guī)芯片的開發(fā)進程。

為了提升功能安全性一般會采用兩種策略，一種是保護性的設(shè)計，另外一種是冗余性的設(shè)計。保護性的方法多種多樣，實現(xiàn)起來復(fù)雜，但具有針對性強，效率高的特點，如適用于片上存儲的ECC糾錯、存儲器BIST優(yōu)化、數(shù)據(jù)包CRC檢錯、Watchdog防鎖死、執(zhí)行單元的lockstep等。冗余設(shè)計的方法就相對比較簡單，適用面也廣，但是成本開銷就大。業(yè)界通常會將兩種方法融合使用，各取所長。

總結(jié)來說，車規(guī)級SoC設(shè)計挑戰(zhàn)包含了以下幾個方面，可控制質(zhì)量和可溯源的質(zhì)量管理體系QMS、行業(yè)標準要求的可靠性設(shè)計AEC-Q100、功能安全性設(shè)計ISO 26262、流程中各個環(huán)節(jié)的審查報告、簽合交付件和第三方權(quán)威機構(gòu)的評估報告或者認證證書。

芯耀輝作為本土 IP 廠商，通過優(yōu)異的IP解決方案助力汽車電子SoC芯片設(shè)計跨越三重挑戰(zhàn)。

針對苛刻的PPA要求、穩(wěn)定性、可靠性、互操作性、協(xié)議兼容性要求，芯耀輝采用了業(yè)界最成熟的驗證方法學(xué)和IP架構(gòu)，專注IP質(zhì)量和完整解決方案，依靠完整的設(shè)計和驗證平臺，專業(yè)的技術(shù)支持團隊。

針對車規(guī)級設(shè)計要求，業(yè)界標準如：AEC-Q100、ISO26262、IATF 16949，我們提供符合車規(guī)的工作溫度、耐用性、可靠度要求的設(shè)計和驗證，符合車規(guī)標準的保護和冗余設(shè)計方案，設(shè)計流程符合嚴格的質(zhì)量管理要求。

針對用戶集成和實現(xiàn)的挑戰(zhàn)，如：子系統(tǒng)集成、高速接口系統(tǒng)級SI/PI設(shè)計、第三方車規(guī)審查和評估,我們可以提供車規(guī)IP子系統(tǒng)集成、車規(guī)SoC系統(tǒng)設(shè)計、性能分析和芯片調(diào)試，以符合車規(guī)測試的要求。

圖8 ? ?

車規(guī)級接口IP是汽車電子SoC設(shè)計的重要基石。芯耀輝完整的車規(guī)級接口IP解決方案賦能國產(chǎn)自主車規(guī)級SoC芯片的開發(fā)，推動了中國汽車電子產(chǎn)業(yè)的自主可控。除了汽車電子領(lǐng)域，芯耀輝在數(shù)據(jù)中心、高性能計算、5G、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、消費電子等多個領(lǐng)域都能提供一站式接口IP的解決方案，賦能各個應(yīng)用領(lǐng)域SoC的國產(chǎn)化浪潮。

編輯：黃飛

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