汽車缺芯，技術迭代，車規挑戰
文︱立厷
圖︱網絡
面對汽車缺芯，臺積電剛剛表示，雖然其生產能力目前已滿，但將“優化”芯片生產，釋放產能，如果產能開放，將優先考慮汽車芯片生產。其聲明中提到：“我們正在與客戶密切合作，並將他們的一些成熟節點轉移到更先進的節點，以更好的產能支持他們。”不過，消息來源並未提及是什麼節點。
CES 2021上，Ambarella宣佈推出CV5 5nm 8K AI視覺處理器SoC，用途包括運動相機、無人機和日益重要的汽車業務。據說它是其內部ISP（圖像信號處理）的最強迭代，除了8K60視頻錄製或四個獨立4K視頻流等功能，還具有強大AI功能、新的CPU內核，關鍵在於以三星5LPE（5nm低功耗）節點製造，承諾了非常低的功耗。果真如此，這可是一個絕佳賣點！不過，5LPE還是依賴FinFET晶體管，先進與否，看下面的分析吧。
近年來，隨著汽車日益電氣化和自動化，越來越多的汽車數據被數字化，迫切需要更先進的電子器件來處理。在汽車這種極端環境中，至今7納米芯片的使用也是鳳毛麟角，5納米嘛，剛有廠商做出來，還沒有量產，而未來會發生什麼呢？我們來看看頭部半導體廠商的大佬們是怎樣看待汽車對芯片可靠性和工藝提出的挑戰。
汽車是芯片最大新興市場
2015年至2018年期間，汽車市場快速增長，隨後伴隨汽車主機廠退步並重新評估其目標和架構，市場大幅放緩。他們並沒有試圖在每輛車上都安裝一臺超級計算機（這在經濟上是不現實的），而是將重點放在可擴展的架構上，以處理越來越多的駕駛輔助功能。儘管疫情大流行造成了新車銷售的損失，但這項工作仍在進行。
要實現汽車主機廠的願望，唯一途徑是汽車芯片設計的創新，讓計算能力再上一個臺階，因此芯片最大的新興市場之一是汽車。
汽車電子控制單元越來越多
如今，汽車半導體在急劇增長，因為只有通過電子控制系統才能實現更好的燃油效率、安全性、便利性和更嚴格的排放控制。豪華車採用了更多的電子組件，更智能和高度集成的電子控制單元（ECU）則需要更多的定製專用集成電路（ASIC）。
芯片工藝創新談何容易
轉向先進技術當然令人興奮，人們相信一輛車能做自己現在能做的事情，但是用所有計算來真正模仿人並不容易。從半導體角度講，需要芯片有強大的算力。
但是，作為一種成功的經驗預測，摩爾定律的走勢開始放緩已是不爭的事實，可能使之延續下去還要藉助於先進IC封裝，比如從2D轉向3D封裝，以提升晶體管的集成密度，同時節省一些加快摩爾定律進程的設計和製造成本。
從芯片工藝來看，追求性能的競爭相當慘烈，主要就是成本的大幅增加，資金投入何止是不菲！在進入10納米後，芯片代工行業的成本壓力越來越大。10納米芯片的開發成本超過1.7億美元，7納米差不多3億美元，5納米更是在5億美元以上。
還有芯片本身的問題。先看5納米，因為很多原因一直在採用的鰭式場效應晶體管（FinFET）工藝開始失去動力，包括通過細金屬絲傳輸信號、絕緣各種元件的較薄電介質，以及通過長形柵極控制電流洩漏的能力都在下降；甚至製造也成了一個更大的問題，因為對於FinFET，每個新節點的鰭（fin）都更高。
PDF Solutions高級研究員Tomasz Brozek說：“一個問題是，鰭本身必須更堅固，柵極也必須更高。這意味著材料必須進行替代，將金屬沉積在溝道內部，觸點必須建立在源/漏外延區。因此外延的生長需要更深更高，而觸點本身也將圍繞著源極和漏極建立，以降低接觸電阻，這增加了複雜性。”
這一點對汽車市場尤為重要，因為日益自動化的汽車人工智能（AI）部分需要最先進工藝所具備的特性。但在汽車惡劣環境下使用的芯片中，還從來沒有大規模使用過先進節點工藝，落後手機等行業不止一拍兩拍。原因在於，在服務器機架中，如果內部溫度過高，個別服務器可以將負載轉移到其他服務器。同樣，如果一部智能手機被放在高溫的車裡，超過一定溫度它就會關機，直到溫度降到預設的極限以下才能重啟。汽車內的熱量會對從內存延遲到電路老化加速等所有方面產生很大影響。
OptimalPlus副總裁兼總經理Doug Elder說：“在5納米，缺陷和計量數據越來越難以收集。因此，汽車行業採用5納米的行動將要推遲到解決了這些問題之時。芯片做得如此之小，會影響獲取晶圓級數據的能力。一方面，可視性——無論是電的還是光的——都會降低。另一方面，這麼小的芯片產生的數據太多了，以至於人們不知道該怎麼處理這些數據。在獲取這些數據，或者在某些情況下弄清楚如何處理這麼多數據方面，問題越來越多。”
5納米的唯一
2020年6月，恩智浦成為首家採用臺積電5納米工藝技術的汽車芯片公司，為下一代自動駕駛提供高性能安全計算系統級芯片（SoC）平臺。據稱，臺積電有望在2021年秋季向恩智浦的主要客戶提供首批樣品。
下一代高性能汽車平臺功能更多
隨著汽車行業大規模並行計算（高性能計算和安全計算並舉）創新的需求，汽車主機廠必須在其汽車架構中應對“爆發性軟件、極其昂貴的材料清單和更高的安全性”要求。恩智浦N5P（臺積電5納米技術增強版）工藝技術汽車處理平臺可以增強其架構產品，與MobileEye、高通、英偉達、瑞薩等競爭。恩智浦的目標是通過提供可以“跨域”使用的統一核心架構來“統一軟件基礎架構”。
競爭對手Mobileye的EyeQ5採用7納米工藝，據說EyeQ6可能會升級到5納米。Mobileye使用了意法半導體較早的製造工藝，而較新的處理器則使用臺積電的製造工藝。
在過去一年，臺積電和恩智浦與5納米汽車級生態系統參與者進行了很多合作，在先進工藝節點與IP供應商、工具供應商和其他提供設計支持的供應商進行更多協同設計。
如果明年的樣品得以成行並量產，才能說恩智浦是汽車半導體公司中首個採用5納米工藝技術的公司。在此之前，要使5納米工藝獲得汽車級和功能安全性資格，還有大量的認證工作要做。
恩智浦採用5納米技術的賣點在於：可以實現高集成度，同時降低功耗。前者很容易理解，後者還難以定論，後面馬上分曉。
5納米集體翻車為哪般？
現實是，實現5納米大多是吹的，別說車規，就是手機用也還存在問題。為什麼？因為10年前困擾臺積電和三星的問題又依然故我了。
5納米是目前EUV（極紫外線）光刻機能實現的最先進芯片工藝，也是智能手機廠商的重要賣點，2020年下半年，蘋果A14（“一度達80℃”）、麒麟9000（“發熱降頻”）、驍龍888（“變身火龍”，810就曾“高燒不退”）等5納米工藝芯片相繼粉墨登場。
汽車芯片千萬不能熱
不過，公開信息顯示，上述芯片無一倖免均被曝實際功耗不低，發熱未減，一時間，5納米芯片集體翻車成為熱議話題。
功耗和發熱指標不好一直是不斷追隨甚至想超越摩爾定律的廠商沒有解決的難題。主要元兇是芯片內部的晶體管漏電。進入深亞微米制造工藝時代之前，動態功耗一直是芯片設計關注的焦點，但在深亞微米工藝，動態功耗在總功耗中的比例越來越小，靜態功耗的比例則越來越大。進入納米時代，漏電流功耗對整個功耗的影響變得非常顯著。研究表明，在90納米工藝的電路中，靜態功耗可以佔到總功耗的40%以上。
究其原因，是因為集成電路每一代製造工藝的進步，都是通過縮短CMOS晶體管的溝道長度（微米或納米）實現的。溝道長度的不斷縮短，使電源電壓、閾值電壓、柵極氧化層厚度等工藝參數也在不斷按比例縮小，使短溝道效應（SCE）、柵極隧穿電流、結反偏隧穿電流等漏電流機制越來越顯著，表現為芯片漏電流功耗不斷上升。更重要的是，漏電流功耗和溝道長度縮小是一個數量級增長的關係，溝道長度越來越短，漏電流功耗增加越來越快。
5納米之前，之所以臺積電、三星和英特爾能抑制漏電流功耗，主要是採用了創新的FinFET，以替代傳統的平面式晶體管。
從平面FET、FinFET到未來工藝的變化
在7納米時，FinFET技術已走基本到盡頭，將由環繞柵極晶體管（GAAFET）接替。但由於技術風險和成本壓力，頭部代工廠在5納米時代仍不得不使用FinFET。結果可想而知，芯片漏電流功耗暴增幾乎抵消了工藝進步的紅利。
據透露，英特爾已計劃在5納米（接近臺積電3納米工藝）時切換到GAAFET，臺積電則計劃在3納米後再說，三星為了追上臺積電，決定在3納米時就採用GAAFET。不過在GAAFET正式啟用之前，芯片發熱仍然是一個問題。另外，每一個新節點的數字邏輯都發生了微妙的變化，越來越趨向於類似模擬的行為，迫使芯片工程師開始與信號漂移、噪聲和不同應力等問題抗爭。
因此，5納米和已規劃的3納米都增加了新的可靠性挑戰，令汽車應用無法承受其重。在3納米，由於許多原因，這些問題的數量和嚴重程度還不太清楚。
那麼，恩智浦成首家採用5納米汽車芯片公司又從何而來呢？莫非還有獨門絕跡？對此，業界觀察人士對於恩智浦的新平臺到底是什麼樣子仍然有點困惑。The Linley Group高級分析師Mike Demler指出，不管工藝節點是什麼，這都是一個有趣的消息，他說：“恩智浦的汽車平臺非常廣泛，5納米技術並不適用於所有平臺。”
巨大的挑戰和誘惑
PDF Solutions高級解決方案副總裁Dennis Ciplickas認為：“別說5納米，像7納米這樣的先進技術都存在一些問題。我們已經看到7納米芯片中發生的問題——不同類型的變化、生產線可能出現的缺陷以及工藝模塊之間的所有交互。測試方式、使用的故障模型、診斷和發現缺陷以及構建理解這些因素的功能安全性是一個巨大的挑戰。我們是在朝著自動駕駛的方向前進，我們最終會到達那裡。但是，考慮到先進技術的表現方式，要實現這一目標，需要進行的創新是一個巨大的挑戰，也是一個巨大的機遇。”
困則思變，即便是芯片行業長期以來的發展趨勢，也可能會陷入劇變。先進節點半導體的一些最大消費者也開始自研芯片，其中包括蘋果、谷歌、亞馬遜、Facebook和阿裡巴巴等，都試圖通過軟硬件協同設計、獨特的架構、混合使用加速器和各種類型的處理器和內存來實現數量級的性能改進。
芯片消費大戶搶佔芯片制高點
最近由主機廠（如特斯拉）驅動的芯片開發已開始證明，高度自動化的驅動平臺可以實現優異的性能。不使用市場上現有的芯片，轉而採用專門構建的SoC定製的系統需求可以產生巨大的差異。汽車行業已經意識到，對於高度自動化駕駛，主機廠和Tier 1需要在SoC架構的定義中發揮更積極的作用。他們正試圖將高性能專用SoC或系統級封裝（SiP）全部集成在單個芯片，而不是PCB上滿足功能集、每瓦特性能、安全性等要求。
特斯拉自研芯片的全自動駕駛計算機
不過，近日有報道稱，特斯拉正在為新型4D全自動駕駛（FSD）開發下一代硬件HW4，而三星電子正在為特斯拉開發5nm芯片。看來自研也有問題。
在此之前，國內一些主機廠已在蠢蠢欲動。蔚來汽車董事長兼CEO李斌在接受採訪時表示：“自研自動駕駛芯片並不難，比手機芯片容易。”但已造了芯的地平線創始人兼CEO餘凱的話已撂在那裡：“到今天為止，全球車企中真正自研芯片的只有特斯拉一家，其他的或許只是聲音。就像智能手機，真正自研芯片的很少，絕大部分還是走分工協作的道路，專業分工才能帶來效率。雖然也有一些手機廠商嘗試過研發芯片，但都不很成功。最後他們都用了高通和聯發科的芯片。我認為，專業化的分工可以帶來效率，專業的人幹專業的事。”
的確，研發自動駕駛芯片要比手機芯片更難，就說滿足車規這一條就夠研發者喝一壺的。至於車規AI芯片，用餘凱的話說“必須是世界級的AI算法公司”才玩得轉。簡單的芯片或許可以，但也沒有自己造的必要，而複雜的芯片更不是一朝一夕能夠實現的。
值得一提的是，地平線的車規AI芯片徵程3 SoC還是16納米工藝；而即將推出、預計量產在2022年下半年的徵程5並未提及工藝節點；計劃當中的徵程6將採用車規級7納米工藝，工程樣片的推出時間是2023年。由此可見，國內車規級SoC的節點並不先進。
所有新技術都將極大地增加芯片的複雜性，這可能需要利用最新的工藝節點。雖然高端汽車SoC已經採用7納米設計，但一些公司已經在準備下一代5納米先進節點設計。代工廠聲稱，5納米提供了大約20%的速度或大約40%的功率降低，是非常適合下一代汽車的處理器。
其影響尚待評估，但成功模式可能會發生重大變化。Xilinx總裁兼首席執行官Victor Peng說：“不可否認的事實是，2021年隨著5納米的投產，剩下的提供高性能產品的半導體廠商將把3納米產品的開發成本內部化（納入產品成本）。”
汽車要求非同一般
汽車帶來了一系列嚴格的要求，既有行業驅動的要求（ISO 26262和ASIL A、B、C、D），也有主機廠驅動的要求（18年零缺陷），這對整個行業產生了影響。
Mixel總裁兼首席執行官Ashraf Takla說：“從需求和我們需要做的事情來看，這種變化真的很驚人。就像一個新的生態系統從零開始誕生，每個人都在學習，真的沒有專家。每年都有新的要求，我們需要做新的仿真，我們需要遵循更多的規則。”
他說：“對於消費電子產品，缺陷率通常是3西格瑪。對於汽車來說是5西格瑪或6西格瑪。幸運的是，這一切並不是一夜之間發生的。但它將在2021年和未來幾年繼續存在。”
又想起了摩託羅拉
由於新材料、新晶體管結構的引入以及這些芯片在安全和任務關鍵型應用中的預期用途，確保芯片在5納米和3納米下的可靠性變得越來越困難。
在汽車這樣的熱、振動和其他物理效應所致應力不能完全預測的應用中，挑戰變得更加複雜。動態功率密度的大幅提高，會影響老化模型的更多物理效應，5納米以下數字電路開始表現得更像模擬電路，會受到一系列模擬問題的影響，這些問題在數字電路設計中從未被重視過。
隨著設計的獨特性越來越強，這種複雜性變得更大。這些設計中的許多都是異構的，並且包括一些AI/ML/DL版本，這增加了潛在缺陷對芯片功能影響的不確定性。
隨著芯片變得越來越密集，在關鍵應用中的使用越來越多，在可以被替換之前，它們必須持續工作，即使性能不是最佳。這是汽車ISO 26262的基本原則之一，在汽車領域，器件需要正常地進行故障切換，無論是切換到完全冗餘的電路還是車輛的另一個器件或模塊。
可靠就好
電動汽車和自動駕駛汽車的蓬勃發展正受到汽車行業普遍存在的嚴格安全法規的影響，對於芯片製造商來說尤其如此，他們必須在實現更高性能的同時，讓產品具有汽車合規性以及獨特的高可靠性。如果能做到這一點，採用更高工藝節點當然是整個行業的期盼！
對於中國廠商，時間更為緊迫，如餘凱所說：“未來三年，是最關鍵的時間窗口，如果中國品牌在芯片和操作系統上不能夠拿到中國智能汽車市場的前兩名，我認為我們就基本上出局了。”這就是我們要面對的現實！
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