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[导读]企业竞争正在占据汽车IC这个不断增长的市场份额,但事实并非如此简单。

前言

企业竞争正在占据汽车IC这个不断增长的市场份额,但事实并非如此简单。

汽车电子市场正在蓬勃发展,它已经引起了全球芯片制造商和各初创公司的争夺。

然而越来越明显的是,并非所有人都了解汽车与手机市场的差异。手机仍然是半导体产量最高的市场,但增长趋于平缓。相比之下,汽车电子市场的价值正在快速上升,更多的芯片制造商正在试图分一杯羹。

“大家都认为汽车是下一个大的市场,”Semico Research总裁Jim Feldhan说。 “如果你位居高位,例如Nvidia,英特尔,AMD和其他从事高端计算的人,你一定正在研究自动驾驶和人工智能,'他们每年制造的汽车数量超过1.2亿辆。有一天,他们通过自动驾驶系统将拥有相当于多台服务器的功能。这需要很大的计算能力。'“

Semico预测,到2023年,半导体行业的汽车市场部分将增长到730亿美元。虽然可能需要很长一段时间才会有完全自主的第5级车辆上路,但3级特斯拉却已经拥有非常高端的计算能力。

“除此之外,它还有存储,模拟,以及一堆电源和传感器产品,”Feldhan说道,“然后你看看连接器和尝试连接智慧城市的汽车,或车辆间通信,所有的东西都围绕安全和交通控制。这些都基本上就像花哨的手机,而我们已经成为热点。所以你有一个移动热点,你不必停在星巴克来蹭WiFi。“

信息娱乐仍然是汽车之间很大的区别。但是,无论是作为警报系统的一部分还是作为其他部件的故障切换,随着这些系统越来越多地被纳入安全领域,它们都受到与发动机控制电子设备一样严格的标准约束。汽车原始设备制造商设定的标准是15年每十亿部件零缺陷,考虑到大部分必须在极端条件下发生,这尤其令人生畏。

汽车与手机行业IC不同之处在哪

三星和苹果等公司的大量蜂窝芯片设计占据了设计的前沿。

“从大多数情况来看,16nm一直是最前沿的和性能最好的。”Synopsys设计集团营销总监Mary Ann White表示,“显然有10nm,或者是8nm版本的手机现在已经出现了,但他们立刻跳转到finFET或任何最新的进程节点,他们现在可能已经完成了5nm和3nm的流片。移动设备和汽车之间的最大区别在于,当涉及到手机和图形时,消费者需要最新和最好的产品。而在汽车领域,如传感器,它仍然是150纳米,而且没有理由转向7纳米。鉴于此,汽车设计需要大量冗余,设计尺寸和面积不会产生太大的影响。这并不像在手机上那样令人担忧。“

在手机市场中,频率和速度就是一切,移动设备的设计频率经常达到3 GHz。而在汽车中,频率差别是很大的。现在至少在某一方面,这两个市场正在融合。“现在你把那些非常低频率的东西带到类似手机的东西,因为你现在正在建造5G连接的汽车。” White说,“所以突然间,它变得像手机一样。”

移动设备和汽车在电压方面差别也很大。在移动应用中,电压必须非常低才能延长电池寿命。“1.8V是一种扩展,但肯定的是至少将达到0.5V-Vdd的一半,等等。”White说,“相反,汽车内部总是存在高压,而且许多汽车半导体存在非常多的模拟电路,因此设备必须能在很宽的电压范围内正常运行。”

汽车芯片也必须在很宽的温度范围内运行(-40°C至155°C,移动设备为0至40°C),并且它们必须持续运行至少15年,而用于手机的芯片只需要求持续工作不到3年。

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图1:移动设备IC与汽车IC要求要求的比较

此外,汽车的故障率需要显着低于移动设备。 “手机供应商要求故障率不到10%,”怀特说,“ISO 26262标准规定汽车至少要用10年,但我们现在看到的客户需求是15到20年间,每十亿零部件少于1个缺陷(1 DPPB)。如果您的手机重置并开启,没问题,你不会受伤。但想象一下如果你的车需要重置,那是不可能的。“

汽车IC道阻且长

然而,移动电子产品的机遇正在趋于平缓,而汽车领域的机会正在扩大。

2004年,工厂安装的动力座椅采用率为50%或更低,只有四分之一的汽车安装了安全气囊。政府的法规推动了现今安装在车辆中的安全相关功能的采用。

如今,电子/电气(EE)系统的市场正在急剧增长,但它对产品稳定性和完美性的要求要高得多。

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图2:工厂安装的设备量快速增长

“如果你正在设计制作消费产品,如果它有一个小问题,你就会对它进行转换,然后在六个月到八个月内推出另一款产品。”Semico Feldhan说道,“这在汽车行业是行不通的,汽车的设计周期要长得多,而且要求必须完美。此外,一旦你忽略跳过所有这些问题,那么该产品通常会在那里停留很长一段时间,这也意味着你必须坚持这种设计多年。如果你是设计的是一个消费产品,并且在几年内你已经废弃了那一部分功能,那么你可能还有其他三部分超过了这个功能。“

最重要的是,消费者希望他们无论在家中还是在办公室,汽车连接具有相同的安全性,可靠性和高性能。目前很多厂家正在开发一些创新方法来实现这一目标。例如,Marvell正在基于连接支持芯片和构建模块(如1000BaseT以太网PHY,支持802.11ac和802.11p的WiFi设备)以及蓝牙PHY和安全的千兆以太网,为车内外开发双并发Wi-Fi开关。

“当我们在汽车中引入组合WiFi /蓝牙时,我们开创了移动热点先河。”Marvell连接业务集团技术营销总监Avinash Ghirnikar说,“然后我们通过WiFi引入后座娱乐。在安全性,可靠性和速度方面,客户希望他们在家或在工作中拥有相同的体验。他们拥有802.11ax的最新最好的智能手机在家庭和办公室都很出色,但是当它们带入汽车时,它会运行缓慢。为什么会这样?因为那些是他们不想要的东西。这是802.11ax将发挥重要作用的原因之一。在汽车环境中提供这种无缝的WiFi体验确实变得具有挑战性。路上有很多车,你必须要在汽车驾驶舱内处理这些事情。这就是802.11ax优秀的一点。“

汽车IC现代化

如今,传统的汽车IC设计也在发生变化。

“如果我们看一下传统上可能是容量最大,最复杂芯片的微控制器,我们可以看到车辆周围约有100个ECU,每个都有一个微控制器,可能有16兆字节的闪存。”西门子公司Mentor汽车销售总监Andrew Macleod说,“其中一些东西嵌入了闪存芯片,通信外设,CAN,以太网 - 通常是单核。世界上可能有五六家IC集团在设计零缺陷芯片,他们在这方面非常专业,并且具有设计规则检查和测试方法,以合适的缺陷率制造这些部件。这就是我们在过去15年中所看到的,而且这一点已经得到了很好的解释。世界是由汽车的大趋势推动的,即自动化和电气化。我们看到从带有微控制器的100到120个ECU转向车辆中的这些大型域控制器,这在设计方面是完全不同的挑战。这意味着不是看一个相对简单的微控制器芯片,而是使用AI芯片和GPU以及ASIC来管理大规模计算和低功耗要求,这与简单的微控制器芯片正好相反。”

这为传统汽车供应链增加了更多的复杂性,芯片制造商将硅片销售给第一层,然后将其集成到模块中并将其发送给汽车制造商。

“这意味着我们必须加快开发以减少这些芯片的交付时间。”MacLeod说, “突然之间供应链都在寻求合作,因为我们可以减少开发时间的唯一方法是,在仿真器中运行一些IP,并在硅从晶元出现之前之前一年或更长时间为其编写软件。您可以在仿真器中查看整个SoC或特定IP的一部分。例如,您可以将合成传感器数据(尤其是用于自动车辆传感器融合芯片的数据)输入仿真器。然后,您可以输出到某种模拟车辆行为的工具,因此即使在任何硅片之前,您都可以测试IP,测试算法,看看它如何响应传感器数据并实际看到车辆动态响应于此。这对供应链来说是一个巨大的挑战,因为汽车制造商现在正在设计自己的IC。特斯拉公开说过几次。虽然一些Tier Ones正在设计IC,但他们也必须更多地参与软件开发。大陆购买Elektrobit就是一个很好的例子。此外,IC工厂现在正在做电子控制单元。“

一个悬而未决的问题是供应链中的每个参与者如何增加价值。

“合作模式将成为前进的方向。”Macleod 指出,“在既是竞争对手又是彼此客户的公司之间,我们如何共享知识产权?又如何衡量这些的?“

一个与从前不同的汽车市场

汽车设计最佳实践和成本控制是整个半导体行业的一项重要工作。

Cadence定制IC和PCB集团高级集团总监Ian Dennison指出了一些需要考虑的变化。其中一项涉及可靠性,其中最佳实践是在模拟和数字模拟的预期车辆15年寿命期间减轻互连电迁移和晶体管老化。但是,在车辆的使用寿命期间,IC仍然有可能失效,可能是因为年限,可能是因为潜在的制造缺陷,或者可能是因为车辆中遇到异常的热应力或电磁干扰。

无论原因如何,Dennison表示IC必须能够检测并发出信号故障,以此来挽救生命,例如切换到复制功能,或将车辆转移到故障安全模式。为了能够在现代汽车市场发展市场,半导体供应商需要对其IC进行ASIL评级,以对其芯片故障检测范围分等级。

逻辑上的故障检查通常通过软件诊断,LBIST / MBIST和三重投票触发器来实现,但是对于模拟电路,通常需要专门的硅检查器,它具有对模拟功能的深入了解。这为模拟模块增加了相当多的设计时间和空间。自检芯片的设计具有自动化功能,但在ASIL过程中也有专业判断的手动步骤和要求。最终,半导体供应商需要与ISO 26262 / ASIL审核员坐下来处理检测结果,实际上审核组织也在IC设计过程中提供咨询服务。

此外,半导体公司需要了解他们的汽车客户。Dennison说:“例如,他们是否期望ASIL D部件(最高评级)需要大量额外投资,或者他们是否会接受ASIL B部件并通过其系统中的IC复制和冗余从其审核员那里寻求更高的ASIL评级?随着行业将ISO 26262的设计转变为主流,制定这些责任并降低成本正在进行中。”

“当汽车中的电子设备只是同步门锁/解锁和窗户的中央控制时,没有人担心出问题因为大多数问题都可以通过手动操作来克服,直到可以进行维修。”OneSpin Solutions公司的技术营销顾问Tom Anderson说, “电子仪表板将可靠性要求提高了一个档次,因为几乎不可能驾驶没有显示器的汽车。电子巡航控制对安全要求具有类似的影响,因为一些故障模式(例如恒定加速)可能非常危险。如今,用于危险检测和平行停车等功能的先进驾驶辅助系统(ADAS)已经变得非常普遍。随着驾驶员开始依赖这种系统,必须提高可靠性和安全性。“

这个问题对自动驾驶车辆要求尤其严格。

“最近的撞车事件表明了当前技术的局限性以及驾驶员将所有控制权转交给不完善系统的意愿。”Anderson说,“一些没有按照制造商的指示一直保持手动控制的人已经付出了生命。虽然真正的自动驾驶汽车仍然是未来的产品,但毫无疑问,许多消费者都希望有这种技术,并且许多制造商正在努力提供它。作为回应,汽车电子开发人员比以往任何时候都更关注可靠性和安全性,同时增加了汽车信任挑战(芯片和系统工作的设计,没有引入的后门或特洛伊木马)和安全性(系统不会被外部攻击和控制)。 ”

需求处理

汽车和航空航天等市场独有的学科之一涉及处理和跟踪需求。

“汽车ISO 26262标准详细说明了'系统'设计和验证流程,其中正式规定了个别要求。”Breker 验证系统的首席营销官Dave Kelf说,“然后,他们将具体的设计和验证计划要素纳入各个要求的验证范围,并反馈到原始计划中。这是任何开发工作的优秀实践。众所周知的V模型展示了这种性质可以有效地发生,其概念要求被分解为详细的特征,然后抽象验证计划以允许根据高级计划要素来衡量覆盖度量。”

这个过程正在变得自动化,新的验证技术可以提供帮助。 “所有的验证工具必须在这些设计上承担所需的覆盖水平。”Kelf说, “确保所有引擎都正确使用,并且这些引擎中的覆盖度指标复合到可能根据需求进行衡量的水平,需要一种便携,抽象的测试和覆盖方法。 Portable Stimulus是一种理想用于此目的的新方法,可以在可执行规范中详细说明需求,然后将高级约束应用于此规范,以驱动每个验证工具和流程阶段的各个方案测试。然后可以测量便携式刺激规范中的抽象路径覆盖,提供ISO 26262要求的精确度量。要求可以用可执行的规范方式编码,覆盖范围直接应用于它们。

小结

即使有许多问题需要解决,许多方法都要解决,汽车IC设计也开始与系统设计融合。

“这些是10年前不同的世界,”Mentor的麦克劳德观察到,“今天,从IC的角度来看,你几乎仿效了看起来像ECU的部分。这几乎是ECU类型的行为,其中包含RTL位和IP位。系统设计和测试,IP比特,预芯片方式,在车辆架构,AUTOSAR和机器学习算法等方面意味着什么?我们将会看到这些线条模糊不清,看看供应链如何应对这一点将会非常有趣。汽车制造商想要弄清楚供应链如何更好地协作。原始设备制造商希望专注于车辆的一部分。他们可能不想设计每个芯片或每个ECU,但是对于传感器融合他们确实想要设计他们自己的定制芯片,并且他们希望Tier Ones专注于其他东西。为了实现这一点,必须进行协作,因为这些系统不能与自动驾驶汽车隔离运行。他们必须成为系统的一部分。并且完成所有这些预制硅并不是一项微不足道的任务。“

虽然前十大半导体公司中的一些已经知道ISO 26262是什么,但其他公司正在转向汽车世界。他们现在正在尝试确定是否符合ISO 26262标准。

“你不一定非要遵循ISO 26262这个标准,”Synopsys公司的White说。 “这不像原始设备制造商说的那样。但最好是合规,因为你展示了你跟踪过程的可追溯性,以确保EE系统是安全的,不会对人类造成伤害。“

注:以上为21ic翻译,不足之处还请指正。原作者为Ann Steffora Mutschler,请点此查看原文

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