芯耀
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芯片代工廠正在加大汽車芯片的生產(chǎn)力度，以為將來輔助和自主駕駛系統(tǒng)普及造成的半導(dǎo)體使用激增做準(zhǔn)備。
所有主要代工廠商都正在為汽車客戶抓緊時(shí)間組裝零部件并擴(kuò)大生產(chǎn)工藝組合。在高級駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）、純電動 / 混合動力汽車和具有更多連接特性的傳統(tǒng)汽車的推動下，代工廠商來自汽車 IC 客戶的需求不斷增長。代工廠商也比較喜歡汽車業(yè)務(wù)，因?yàn)樵S多器件不需要使用十分先進(jìn)的工藝，這意味著各種層次的代工廠商都可以參與。
對代工廠來說，汽車并不是一個(gè)新市場。很多代工廠已經(jīng)侵淫這個(gè)領(lǐng)域多年。無晶圓廠汽車芯片設(shè)計(jì)公司將其生產(chǎn)外包給代工廠。有的汽車 IDM 擁有自己的晶圓廠，也會將一些芯片生產(chǎn)外包給代工廠。
直到最近，汽車也不是大多數(shù)代工廠的高優(yōu)先級業(yè)務(wù)。Semico Research 公司總裁 Jim Feldhan 說：“過去，汽車業(yè)務(wù)并不被認(rèn)為能賺大錢。驗(yàn)證一個(gè)工藝需要花費(fèi)太長時(shí)間，汽車客戶也不多，而且，與計(jì)算或通信芯片相比，汽車也不是一個(gè)大批量的市場?！?/p>
然而，代工業(yè)對汽車客戶的態(tài)度最近有所改變?！跋M(fèi)者近期對 ADAS、AI、傳感器 hub 和聯(lián)網(wǎng)設(shè)備等汽車電子產(chǎn)品的需求，已經(jīng)改變了代工廠商的觀點(diǎn)，”Feldhan 說?！?a class="article-link" target="_blank" href="/tag/%E6%B1%BD%E8%BD%A6%E5%B8%82%E5%9C%BA/">汽車市場現(xiàn)在向代工廠敞開了大門。臺積電已經(jīng)對其汽車工藝進(jìn)行了認(rèn)證，其他代工廠商亦如是。汽車供應(yīng)商陣營也發(fā)生了變化。為了應(yīng)對自主駕駛對人工智能和“大腦”的要求，英特爾、英偉達(dá)和高通等公司已經(jīng)推出了針對性的新設(shè)計(jì)。當(dāng)然，英偉達(dá)和高通之前也都是主要的代工客戶?！?/p>
汽車設(shè)備制造商和代工廠都由于汽車對各種器件（如模擬，內(nèi)存，MCU，傳感器等）的需求激增獲益匪淺。事實(shí)上，根據(jù) TI、IHS 等公司的數(shù)據(jù)顯示，每輛汽車的半導(dǎo)體產(chǎn)品平均含量從 1990 年的 62 美元增長到 2013 年的 312 美元，現(xiàn)在更進(jìn)一步增長至 350 美元。根據(jù) IHS，到 2022 年，該數(shù)字預(yù)計(jì)將達(dá)到 460 美元。麥肯錫表示，即使是今天，混合動力汽車車中的芯片總價(jià)值也已經(jīng)達(dá)到 600 美元，豪華車型的芯片價(jià)值在 1000 美元左右。
據(jù) Semico 稱，汽車半導(dǎo)體市場預(yù)計(jì) 2017 年將達(dá)到 417 億美元，同比 2016 年上漲 11％。據(jù) Semico，2016 年汽車 IC 市場比 2015 年增長了 8.1％。這個(gè)數(shù)字包括了功率分立器件、傳感器和光電元件。
盡管如此，與智能手機(jī)芯片市場相比，汽車 IC 市場只占整體 IC 市場的一小部分 - 約 10％。Feldhan 說：“請記住，汽車每年賣出 1 億臺，而手機(jī)的年銷量能達(dá)到 20 億部。 ”
對代工廠來說，汽車業(yè)務(wù)規(guī)模雖小，但增長性十足。一些代工廠的汽車業(yè)務(wù)從十年前的不存在增長到目前占總體銷售額的 5％到 10％，有些代工廠的比例更大。
但代工廠在汽車行業(yè)面臨一些挑戰(zhàn)。汽車產(chǎn)品要求嚴(yán)格，產(chǎn)品認(rèn)證過程艱巨且昂貴。而且，競爭也很激烈。
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汽車內(nèi)部窺析
一般來說，汽車分為五個(gè)主要系統(tǒng) - 車身、連接、信息融合 / 安全、信息娛樂和動力傳動。車身系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)基本的車身控制，如門禁、照明和車窗控制。連接系統(tǒng)包括蜂窩通信、WiFi 等相關(guān)功能。
圖 1：半導(dǎo)體廣泛應(yīng)用于汽車。資料來源：聯(lián)電
信息融合 / 安全系統(tǒng)由攝像機(jī)、LiDAR 和雷達(dá)組成。信息娛樂系統(tǒng)包括駕駛員信息和娛樂設(shè)備。動力系統(tǒng)包括發(fā)動機(jī)及其控制單元和變速箱。有的分類方法將底盤（如制動器和轉(zhuǎn)向）歸類到動力系統(tǒng)中。
圖 2：需要的各種半導(dǎo)體技術(shù)。資料來源：聯(lián)電
每輛汽車有數(shù)十種被稱為電子控制單元（ECU）專用嵌入式計(jì)算設(shè)備，分別控制車輛的各個(gè)部分。ECU 通過網(wǎng)絡(luò)連接到一些人稱之為分布式架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)中。
一些高端車型在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/a>上正在發(fā)生一些根本性的變化，但許多車輛仍將繼續(xù)采用分布式架構(gòu)。汽車技術(shù)巨頭德爾福首席技術(shù)官 Glen De Vos 表示：“現(xiàn)在，我們正處于一個(gè)拐點(diǎn)上，當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)無法應(yīng)對日益增加的汽車信息。 我們必須做出改變，使得能夠以具備成本效益的方式繼續(xù)處理越來越多的信息?！?/p>
原始設(shè)備制造商們不再能夠簡單地將更多電子零部件堆砌到汽車中。De Vos 在最近的一次活動中表示，“如果仍然沿用現(xiàn)在的技術(shù)路線，現(xiàn)有架構(gòu)很快就吃不消了。每次增加新功能時(shí)，我們不能簡單地添加更多的信息、更多的 ECU 和更多的布線?！逼嚨某杀窘Y(jié)構(gòu)吃不消，OEM 廠商也承擔(dān)不起這個(gè)成本。當(dāng)您根據(jù)特定的預(yù)算設(shè)計(jì)汽車時(shí)，要記住，ECU 及其網(wǎng)絡(luò)的成本是有限制的。
為了解決某些車型功能與成本相矛盾的問題，德爾福開發(fā)了域集中架構(gòu)。在這個(gè)架構(gòu)中，電子功能集成在較少的多域控制器中，這種方式既可以降低成本，也可以減輕重量。
圖 3：汽車計(jì)算的演進(jìn)。資料來源：德爾福
奧迪在其最近宣布的 A8 豪華車中使用了這一概念。A8 還集成了一些自動駕駛能力。它可以在最高達(dá) 37.3 英里 / 小時(shí)的速度下在高速公路上自動駕駛汽車。
圖 4：德爾福的智能架構(gòu)。資料來源：德爾福
A8 具有“Level 3”或者“有限的自動駕駛”能力。在 ADAS 的世界中，“Level 1”是指汽車中一個(gè)或多個(gè)控制功能的自動化，而“Level 2”是兩個(gè)或更多功能的自動化。特斯拉目前處于“Level 2”，“Level 4”具有較強(qiáng)的自動駕駛能力，而“Level 5”完全自主，方向盤可以作為一個(gè)選配件存在。
完全自主駕駛技術(shù)可能需要十年或更長的時(shí)間才能成為主流。即使永遠(yuǎn)實(shí)現(xiàn)不了自主駕駛技術(shù)的大眾化，ADAS 依然在若干個(gè)方面推動著新器件的發(fā)展。根據(jù) Semico，技術(shù)推動力包括自適應(yīng)巡航控制、自動停車和防撞、車道偏離警告和盲點(diǎn)檢測。
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外包趨勢
多年來，博世、恩智浦、安森美半導(dǎo)體、瑞薩、意法半導(dǎo)體、德州儀器和其它有自家晶圓廠的 IDM 廠商主導(dǎo)著汽車行業(yè)。
通常，汽車芯片都是在 200mm 和 300mm 晶圓上制造的。“汽車行業(yè)有 ADAS、遠(yuǎn)程信息處理和信息娛樂等系統(tǒng)。我們有 LiDAR 小型化等技術(shù)。”應(yīng)用材料公司全球服務(wù)營銷總監(jiān) Mike Rosa 表示。
十年前，X-Fab Silicon Foundries 是少數(shù)幾個(gè)為汽車行業(yè)服務(wù)的代工廠之一。其它代工廠有一些與汽車客戶有業(yè)務(wù)往來，有些則停留在旁觀者的身份上。
然而，這么多年來，有兩個(gè)主要事件改變了汽車芯片的代工業(yè)務(wù)。首先，許多 IDM 進(jìn)入“晶圓廠輕量化”或無晶圓模式。其次，汽車內(nèi)的芯片數(shù)量開始不斷增長。
進(jìn)入 21 世紀(jì)以來，建造新晶圓廠和開發(fā)先進(jìn)工藝的成本對于許多 IDM 來說太昂貴了。許多公司因此停止了先進(jìn)工藝晶圓廠的建造。一般來說，他們會在內(nèi)部保留自己的專有工藝，并將一些生產(chǎn)外包給代工廠。
汽車只是外包給代工廠的產(chǎn)品領(lǐng)域之一。 “從汽車領(lǐng)域的發(fā)展歷史來看，焦點(diǎn)都是集中在 IDM 身上?！甭?lián)電公司業(yè)務(wù)管理副總裁吳坤表示，代工廠有一些業(yè)務(wù)。 “但是，隨著 IDM 向 fab 輕量化和無晶圓廠方向的轉(zhuǎn)變，越來越多的生產(chǎn)被外包出來?！?/p>
IDM 外包給代工廠的產(chǎn)品組合也在發(fā)生變化?！爸?，IDM 廠商會把一些不太重要的汽車產(chǎn)品外包給代工廠生產(chǎn)，”聯(lián)電副總裁 Wenchi Ting 補(bǔ)充說。 “其中兩個(gè)例子是信息娛樂芯片和顯示驅(qū)動芯片。 ”
IDM 還在一定程度上外包了模擬芯片、混合信號 IC 和傳感器?！皞鹘y(tǒng)上，IDM 會自己生產(chǎn)功率系統(tǒng)或底盤控制組件這些更為關(guān)鍵的應(yīng)用 IC，”Ting 說?！斑@種情況將來可能會改變。我們看到計(jì)劃用于未來的發(fā)動機(jī)控制芯片，這類芯片需要巨大的內(nèi)存帶寬，需要嵌入式閃存以及最先進(jìn)的邏輯器件工藝?！?/p>
事實(shí)上，IDM 已經(jīng)將一些關(guān)鍵應(yīng)用器件外包給代工廠。例如，ADAS 需要高級微控制器（MCU），而許多 IDM 沒有合適的邏輯工藝來生產(chǎn)它們?！袄?，他們正在使用 28nm 和 40nm 工藝制造 ADAS 的處理器，”Ting 說。“大多數(shù)汽車 IDM 廠商都不具備這種工藝生產(chǎn)能力?！?/p>
“還有另一個(gè)領(lǐng)域，即用于混合動力和電動汽車的功率分立器件。IDM 廠商還會生產(chǎn)一部分分立器件，但是由于其他原因，他們正在轉(zhuǎn)向代工廠。”他說：“IDM 廠商漸漸無力生產(chǎn)功率分立器件了，所以這些產(chǎn)品正逐步轉(zhuǎn)移到代工廠生產(chǎn)。”
除外包趨勢外，代工廠近期又見證了另一個(gè)重大事件。GlobalFoundries 汽車副總裁 Mark Granger 表示：“過去幾年，我們開始看到一個(gè)真正的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。 汽車內(nèi)部的半導(dǎo)體元件日益增加，過去幾年，隨著 ADAS 的加入，半導(dǎo)體使用量激增?！?/p>
因此，代工廠商們繼續(xù)加大對汽車業(yè)務(wù)的投入，他們分別采取了不同的策略。有些公司向汽車客戶提供從其它市場照搬而來的工藝，其它公司則提供專門針對汽車業(yè)務(wù)特色而調(diào)整過的工藝。
但是，與其他市場相比，汽車的要求更為嚴(yán)格。Granger 說：“你要努力達(dá)到 0 ppm，或者每百萬件也沒有一個(gè)缺陷零件。代工廠商和芯片制造商要不斷改進(jìn)，以達(dá)到最高水平的可靠性和最低水平的故障率?！?/p>
汽車芯片制造商和代工廠都必須遵守各種質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，如 AEC-Q100。這項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)涉及芯片的故障機(jī)理應(yīng)力測試，除此之外還有各種其他標(biāo)準(zhǔn)。 GlobalFoundries 的 IoT 副總裁 Rajeev Rajan 說：“這些標(biāo)準(zhǔn)要求都是有原因的，主要是為了保證功能安全。產(chǎn)品開發(fā)和制造階段必須遵守安全監(jiān)管規(guī)范，還必須保證零件發(fā)生故障時(shí)的可追溯性?！?/p>
這些要求造成了一些挑戰(zhàn)。例如，代工廠通常開發(fā)一種工藝技術(shù)，并采樣相對正常的數(shù)量來驗(yàn)證它。
對汽車業(yè)務(wù)，代工廠必須執(zhí)行更嚴(yán)格的檢查、測試和其他篩選步驟。 KLA-Tencor 營銷高級總監(jiān) Robert Cappel 表示：“您不能因?yàn)榱慵霈F(xiàn)故障而影響安全性。 所以和其它行業(yè)相比，汽車業(yè)務(wù)對質(zhì)量和良率要求的差別很大。還有一個(gè)關(guān)注的重點(diǎn)是潛在的可靠性缺陷。部件可以通過一次測試，但是在整個(gè)汽車生命周期內(nèi)可能會隨著時(shí)間的推移而失效。需求正在變化。”
“這一點(diǎn)變得特別重要，因?yàn)槠囍圃焐涕_始使用最先進(jìn)的邏輯工藝生產(chǎn)自主和輔助駕駛系統(tǒng)的中心處理器，以使用最新技術(shù)實(shí)現(xiàn)性能改進(jìn)，但是在汽車的惡劣環(huán)境下，這些器件的長期表現(xiàn)如何就不得而知了?！?/p>
臺積電董事湯權(quán)說，“可靠性至關(guān)重要。現(xiàn)在我們在 16nm FFC 工藝節(jié)點(diǎn)上，工藝尺寸最終將下降到 7nm，它將用于自主駕駛平臺。結(jié)溫 150?C 下，IP 和 SoC 都必須驗(yàn)證。有的 IP 還需要符合 ISO 26262，這更像是一個(gè)檢查清單，制造商必須進(jìn)行 IP 的認(rèn)證。”
“與此同時(shí)，客戶希望能夠確定芯片的潛在故障率。這就需要代工廠使用更多的采樣執(zhí)行更多的檢查、測試和模擬，所有這些都需要時(shí)間并增加工藝的成本?！?/p>
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MCU 工藝趨勢
同時(shí)，汽車芯片制造商將包括 MCU 在內(nèi)的大量產(chǎn)品外包給代工廠。 MCU 在系統(tǒng)中執(zhí)行中央處理功能。一輛汽車大概會使用 100 多顆 MCU。
例如，在車身控制系統(tǒng)中使用的 MCU。恩智浦應(yīng)用處理器副總裁 Ron Martino 表示：“車身控制器一般采用 8 位和 16 位微控制器，它們具有一定容量的集成非易失性存儲器，并結(jié)合高壓模擬模塊與電源接口?！?/p>
其他領(lǐng)域則需要高端 MCU。“隨著時(shí)間的推移，不同的要求已經(jīng)催生了 32 位 - 現(xiàn)在是 64 位 - 計(jì)算（功能），”Martino 說。
例如，恩智浦去年推出了 i.MX 8 系列 64 位應(yīng)用處理器。這些設(shè)備旨在增強(qiáng)汽車儀表板的圖形表現(xiàn)，如儀表盤、信息娛樂設(shè)備、平視顯示器和后座屏幕。i.MX 8 基于三星的 28nm FD-SOI 工藝制造，包含六個(gè) 64 位 ARM v8-A 內(nèi)核、DSP 和內(nèi)存。雖然恩智浦的許多 MCU 使用的是 bulk CMOS 工藝，但是 FD-SOI 對于 i.MX 8 和相關(guān)芯片是很合適的選擇。
“（FD-SOI）在設(shè)備能力調(diào)整方面具有更大的動態(tài)范圍，”Martino 說?！斑@使我們能夠在單個(gè)平臺上實(shí)現(xiàn)范圍更廣泛的功率 / 性能優(yōu)化?！?/p>
然而，并不是所有器件都適合 FD-SOI。許多人認(rèn)為 bulk CMOS 適用于大多數(shù)應(yīng)用。但是，這兩個(gè)陣營都需要注意 MCU 的其他集成趨勢?！坝械钠嚳蛻粢笪覀儗⑶度胧介W存與 BCD 工藝相結(jié)合，”聯(lián)電的 Ting 說。“這是一個(gè)基于 BCD 工藝集成了嵌入式閃存的 MCU。它正在取代現(xiàn)有的解決方案，這些解決方案需要一個(gè)外部獨(dú)立內(nèi)存來記錄汽車的某些參數(shù)。”
在汽車中，雙極 CMOS-DMOS（BCD）是用于后視鏡定位和座椅調(diào)節(jié)燈電機(jī)控制應(yīng)用的專用工藝。BCD 結(jié)合了雙極型模擬、CMOS 數(shù)字和 DMOS 功率和高電壓的優(yōu)勢。
MCU 也集成了 NOR 閃存或 EEPROM。目前，嵌入式 NOR 閃存的主流工藝是 40nm 及以上，但是它正在向 28nm 過渡。
然而，NOR 閃存的數(shù)據(jù)可能會隨著時(shí)間的推移而丟失。因此，汽車行業(yè)正在對下一代內(nèi)存類型（如 MRAM 和 ReRAM）進(jìn)行更加深入的研究。這些內(nèi)存技術(shù)具有無限長時(shí)間的非易失性特征。
“MRAM 和 ReRAM 這些新興的存儲器技術(shù)非常有吸引力，”Ting 說。.“它們有傳統(tǒng)存儲器技術(shù)無法比擬的優(yōu)勢，只是它們現(xiàn)在還處于小規(guī)模生產(chǎn)階段，業(yè)界需要加快積累經(jīng)驗(yàn)并消除各種潛在問題，不過這需要一定的時(shí)間。”
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無人駕駛汽車
自動駕駛目前顯然受到很多關(guān)注，無論是不是炒作，不可否認(rèn)的是，自動駕駛技術(shù)和相關(guān)芯片還處于起步階段。
例如，奧迪最新發(fā)布的 A8 配有一個(gè)被稱為 zFAS 的中央駕駛員輔助控制器，它可實(shí)現(xiàn) Level 2/3 自動駕駛。由德爾福開發(fā)的 zFAS 主板集成了一些老一代芯片。德爾福幾年前開始開發(fā)這個(gè)項(xiàng)目時(shí)，還沒有現(xiàn)在最新的芯片。
奧迪稱，這塊主板上使用了 Mobileye 的 EyeQ3 處理器和英偉達(dá)的 Tegra K1。Tegra K1 是一個(gè) 28nm 的 GPU，進(jìn)行視覺識別和檢測的 EyeQ3 則是使用 40nm 工藝制造的。最近被英特爾收購的 Mobileye 還正在開發(fā)基于 28nm FD-SOI 和 10nm 及以下尺寸 finFET 的芯片。
根據(jù)德爾福的 De Vos 的說法，今天擁有自動駕駛功能的汽車一般包括 6-8 個(gè)攝像頭、6-8 臺 LiDAR 和 6-8 臺雷達(dá)。有了這些設(shè)備，車輛每小時(shí)收集 50 TB 的數(shù)據(jù)，但這對于全自動駕駛技術(shù)來說還不夠。
圖 5：ADAS 集中融合 / 控制。資料來源：德爾福
De Vos 說：“即使有了這些數(shù)據(jù)，感知系統(tǒng)仍然是自動駕駛的限制因素。 我們的傳感器系統(tǒng)還達(dá)不到全自動駕駛的要求?！?/p>
對于 Level 5 自動駕駛，車輛可能需要每小時(shí)收集 150 TB 的數(shù)據(jù)，這意味著行業(yè)需要一些新的突破，才能使傳統(tǒng)車升級和自動駕駛汽車的下一波浪潮成為現(xiàn)實(shí)。
那么下一步呢？“ADAS 和自動駕駛需要大量傳感器，”GlobalFoundries 的 Granger 說?！澳€必須處理所有這些數(shù)據(jù)。行業(yè)對此有兩個(gè)趨勢。一個(gè)是使傳感器變得智能，每個(gè)傳感器都具備一定的處理能力?！?/p>
另外一個(gè)手段是開發(fā)更強(qiáng)大的 MCU/MPU 處理數(shù)據(jù)。 “當(dāng)自動駕駛開始進(jìn)入 Level 3、4 和 5 時(shí)，您需要先進(jìn)的節(jié)點(diǎn)才能在一個(gè)整體視圖中處理所有傳感器數(shù)據(jù)，以使汽車能夠做出最佳決策?！盙ranger 說。
LiDAR 和雷達(dá)的研究工作也在進(jìn)行中。雷達(dá)可以檢測到一個(gè)對象，但它不能將它與另一個(gè)對象分辨出來。LiDAR 能夠以更精確的方式測量與目標(biāo)的距離。在某些情況下，LiDAR 器件可以使用氮化鎵（GaN）、III-V 工藝。
雷達(dá)設(shè)備可以集成 MCU、DSP 以及基于硅鍺（SiGe）的 77GHz RF 模塊。為了降低雷達(dá)的成本，GlobalFoundries 及其合作伙伴正在開發(fā)基于 CMOS 的毫米波雷達(dá)芯片。該器件使用 22nm FD-SOI 工藝，包括 MCU、短程雷達(dá)和遠(yuǎn)程雷達(dá)，而且它也不需要使用 SiGe。
他說：“這種工藝和集成方式使得您可以快速處理數(shù)據(jù)，這樣人們便可以實(shí)現(xiàn)一種能夠改進(jìn)功能并挑戰(zhàn) LiDAR 的雷達(dá)。LiDAR 是一種非常有趣的技術(shù)，但同時(shí)也很昂貴。”
自動駕駛當(dāng)然也需要軟件組件。例如，初創(chuàng)公司 AImotive 最近推出了面向汽車行業(yè)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。 “所有這些傳感器都很棒，”GlobalFoundries 的 Rajan 說。 “但是它們完成的主要工作是將來自不同輸入點(diǎn)的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行三角化。您需要有一個(gè)后臺，無論是在汽車內(nèi)還是在云端都可以，它有能力處理這些數(shù)據(jù)，過濾或者壓縮，然后給出有意義和可行的決定，并將重點(diǎn)回復(fù)給從任務(wù)關(guān)鍵角度來講控制汽車的自動駕駛系統(tǒng)或者司機(jī)?！?/p>
顯然，汽車正在為代工廠帶來新的機(jī)會。為了贏得汽車客戶，代工廠可能需要投入更多的時(shí)間，但這是一個(gè)更穩(wěn)定和可預(yù)測的業(yè)務(wù)，至少現(xiàn)在來看如此。
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