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來源：半導體行業(yè)觀察 下一代汽車電子電氣架構需要復雜的集中式計算單元來應對日益增長的功能需求。融合芯片（Fusion chips）和基于芯粒（chiplet-based）的設計是潛在的推動因素。 軟件定義汽車 (SDV) 的下一代電氣/電子 (E/E) 架構正在向集中化發(fā)展。麥肯錫分析估計，到 2032 年，全球生產(chǎn)的所有汽車中 30% 將采用帶區(qū)域控制器的 E/E 架構（圖 1）。對于半導體行業(yè)來說，重要的是，這種轉變將需要集中的高性能計算單元。 在未來十年內，汽車微元件和邏輯半導體市場預計將在 2032 年增長到 600 億美元。預計整個汽車半導體市場將在同一時期內從 600 億美元增長到 1400 億美元。其 10% 的復合年增長率超過了半導體市場的所有其他垂直市場。 
集中式高性能計算單元通常為高級駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS) 或未來的自動駕駛 (AD) 提供功能，以及信息娛樂和車輛運動任務。兩種原型——獨立的、特定領域的計算單元和跨領域的中央計算單元——將主導下一代 E/E 架構（圖 2）。根據(jù)這種性質，OEM 和一級供應商可以通過不同的方式實現(xiàn)集中式計算單元，例如通過基于機架的設置、帶有多個芯片的印刷電路板 (PCB) 或用于多個域的融合芯片。
在所有情況下，選擇最高效的底層片上系統(tǒng) (SoC) 或系統(tǒng)級封裝 (SiP) 至關重要，原因如下： 首先，SoC 和 SiP 實現(xiàn)了自動駕駛汽車所需的基本計算（例如，通過實現(xiàn)識別其他車輛和交通參與者的感知功能），此外還提供尖端的信息娛樂服務并支持生成式人工智能 (gen AI) 用例（例如，用于車載助手）。 其次，SoC 和 SiP 是成本的主要驅動因素，并且極大地影響了整體物料清單 (BOM)。最后，它們的功耗可能在確保車輛節(jié)能運行方面發(fā)揮作用，這對于向電池電動汽車 (BEV) 的過渡尤為重要。 因此，汽車 OEM 高度投入，不斷提高計算能力和效率。于是，ADAS/AD 和信息娛樂領域的兩個新興趨勢在即將到來的 E/E 架構的概念階段獲得了關注：融合芯片和基于芯粒的芯片設計。 本文將討論融合芯片和基于芯粒的芯片設計作為未來 E/E 架構中集中計算的推動因素，并討論為什么它們成為首席技術官在制定有關集中計算的戰(zhàn)略決策時的重要因素。 通過融合芯片推進 ADAS/AD 和信息娛樂領域的集中計算 融合芯片可能被視為提高 SDV 功能和計算整合度的合理下一步。也就是說，融合芯片將信息娛樂和 ADAS/AD 的功能合并到一塊硅片上，形成一個單一的“融合”芯片。 乍一看，這種整合的技術要求似乎很合理。如今，ADAS/AD 和信息娛樂領域都需要最先進的多核中央處理器 (CPU)、圖形處理器 (GPU)、AI 加速器和數(shù)字信號處理器，并且這兩個領域都旨在以非常小的節(jié)點尺寸（即小于 10 納米）實現(xiàn)，以提高計算能力和能效。同時，這種整合的幾個方面揭示了這兩個領域的不同之處： 雖然信息娛樂領域有一些與功能安全相關的應用（例如，支持駕駛艙集群），但在 ADAS/AD 領域，對汽車安全完整性等級 B (ASIL-B) 和 ASIL-D 功能安全合規(guī)性的需求更為明顯，因為該領域必須執(zhí)行許多實時關鍵功能（例如，執(zhí)行器控制任務）。純基于安全島的方法在這里可能不夠，因為信息娛樂通常采用這種方法。 在 ADAS/AD 領域，對硬件/軟件 (HW/SW) 進行緊密協(xié)同設計的需求尤為明顯，以便為實現(xiàn)感知元素的特定神經(jīng)網(wǎng)絡架構（例如卷積神經(jīng)網(wǎng)絡和變壓器）優(yōu)化計算硬件（例如 AI 加速器）。 在過去的兩年中，盡管融合芯片設計面臨著諸多挑戰(zhàn)，但無晶圓廠半導體廠商和新進入者已經(jīng)將這一理論想法變成了現(xiàn)實。此外，幾家一級供應商已經(jīng)展示了使用融合芯片的計算單元設計，并在 SDV 環(huán)境下宣揚其優(yōu)勢。 通過使用融合芯片，OEM 可以減少物理計算單元的總數(shù)，并進一步簡化計算邏輯的整體集成和整合。例如，這種方法對于在整個車輛生命周期內促進無線 (OTA) 更新至關重要，這是 SDV 的關鍵推動因素。此外，OEM 可以簡化信息娛樂和 ADAS/AD 領域的工具鏈和開發(fā)框架，從長遠來看具有預期的成本優(yōu)勢。 麥肯錫與全球半導體聯(lián)盟（GSA）合作，對整個汽車半導體價值鏈的利益相關者進行了調查。受訪者表示，便利的開發(fā)模式（如開發(fā)環(huán)境和工具鏈）和成本原因（如節(jié)省知識產(chǎn)權和封裝成本）是他們決定采用結合 ADAS/AD 和信息娛樂功能的融合芯片的首要因素（分別為 28% 和 57%）。 與此同時，向融合芯片的過渡也將帶來一些挑戰(zhàn)。首先，融合芯片需要更高的技術復雜性（例如，驗證工作）才能保證不受干擾，這是因為信息娛樂和 ADAS/AD 必須分開，并且一個域的任何計算要求都不能干擾另一個域。此外，在信息娛樂和 ADAS 域之間的協(xié)調需求方面，組織負擔將增加。 二是滿足L3及以上自動駕駛系統(tǒng)的冗余度要求的問題。L3級系統(tǒng)需要有條件自動駕駛、計算冗余、執(zhí)行器（制動和轉向）和電源。當信息娛樂和 ADAS/AD 的計算功能組合到一個高度集成的芯片上時，可能不需要部署第二個芯片，因為在主芯片發(fā)生故障的情況下，信息娛樂域不需要額外的計算能力。在這種情況下，部署第二個芯片可能會產(chǎn)生開銷。 額外的挑戰(zhàn)在于，由于相關的功能安全要求，電磁兼容性 (EMC) 的一致性要求更加復雜；單獨優(yōu)化的可能性有限，例如功能安全要求和專用加速器；以及失去為兩個領域選擇最佳供應商的能力和更高的鎖定效應。 在調查中，參與者還指出，采用融合 SoC 面臨的三大挑戰(zhàn)是確保不受干擾（33%）、處理組織原因（25%），以及解決 ADAS/AD 的冗余要求（19%）。計算能力方面的可擴展性以及物理和制造難度（分別有 13% 和 10%）被認為挑戰(zhàn)性較小。 考慮到更高級別自動駕駛的冗余要求，融合芯片可能是一種特別可行的解決方案，適用于針對 L0 到 L2 應用（例如自適應巡航控制 [ACC]、車道偏離警告 [LDW] 和自動緊急制動 [AEB]）的部署場景，而不是針對 L3 及以上應用（例如放手和放眼場景）的場景，尤其是在 2030 年之前。此外，融合 SoC 可能會接管兩個領域之間的功能，例如駕駛員監(jiān)控和乘員檢測——鑒于歐洲即將出臺的新車評估計劃 (NCAP) 法規(guī)，這些領域變得越來越重要。 在信息娛樂方面，融合芯片非常適合控制廣泛的功能，例如駕駛艙集群、中央堆棧和乘客顯示器、增強現(xiàn)實顯示器、環(huán)視停車、后座娛樂和電子后視鏡。 根據(jù)最近的公開公告，針對系列車輛的融合芯片預計將在 2026 年至 2027 年期間首次部署，主要采用者是注重成本效益的批量原始設備制造商以及技術遺產(chǎn)有限且對技術創(chuàng)新更開放的顛覆者。 采用Chiplet進行汽車定制芯片設計 從廣義上講，“chiplet”是指一種先進的封裝形式—即用于增強半導體器件性能、功能和集成度的創(chuàng)新技術，超越了傳統(tǒng)的封裝方法。芯片組架構代表了半導體設計的范式轉變，能夠將多個專用芯片模塊化集成到一個封裝中。芯片組允許 OEM 為每個子組件選擇最佳技術解決方案，這突顯出并非所有組件都需要在尖端節(jié)點尺寸上制造。因此，在專用 ADAS/AD 和信息娛樂芯片以及融合芯片中都可以使用基于芯片組的設計。 由于實現(xiàn)了靈活性，人們甚至可以考慮在整體芯片設計為支持不同計算負載（例如，通過使用專用 CPU 芯片）的情況下使用芯片。因此，區(qū)域控制器也可能構成一個有趣的應用領域，因為它們的計算要求因原型而異（例如，簡單的輸入/輸出聚合器與成熟的計算單元）。 現(xiàn)代芯片的所有功能（例如 CPU、內存、AI 加速器、串行器和反串行器）并非都集成在一塊硅片上，而是使用最適合應用且經(jīng)濟可行的技術節(jié)點大小分別實現(xiàn)芯片組的各個組件（圖 3）。這意味著 CPU 和加速器子系統(tǒng)可能采用可用的最小節(jié)點大小，而其他功能可能在更大的節(jié)點大小上實現(xiàn)。為了確保單獨制造的組件仍能協(xié)同工作，需要一個通用接口標準，例如通用芯片組互連標準 (UCIe)。如后文所述，許多創(chuàng)建這些標準的努力正在進行中。
在汽車領域，專家最常提到基于芯粒的芯片設計的兩個優(yōu)點： 整體芯片尺寸減小。使用芯粒可避免單片設計方法增加芯片尺寸（面積）。在過去五年中，復雜芯片的芯片面積不斷增大，幾乎達到極紫外光刻的掩模版極限，即 858 平方毫米。對于數(shù)據(jù)中心使用的 GPU，這個問題變得尤為突出，因為更大的芯片尺寸允許容納更多晶體管，從而可以增強計算能力和處理能力。請記住，工藝的良率受缺陷密度（單位面積缺陷數(shù)量）的限制，較大的芯片更有可能包含一個或多個缺陷，因為它們覆蓋的面積更大。即使一個缺陷也會導致芯片無法正常工作。從長遠來看，較小的芯片尺寸可以提高良率，從而降低成本。 雖然這種效應是芯粒的一個重要優(yōu)勢，但汽車芯片預計在 2030 年代中期之前不會達到這樣的尺寸。相反，對于汽車垂直行業(yè)來說，樂高原（Lego principle）則更為重要。 樂高原則（或由標準實現(xiàn)的模塊化芯片設計）允許汽車 OEM 混合搭配現(xiàn)有設計池或庫中的組件，以滿足其特定需求。該原則的好處包括能夠重復使用組件。由于汽車行業(yè)的制造量低于其他細分市場（例如，每年汽車產(chǎn)量接近 1 億輛，而智能手機出貨量接近 15 億部），因此定制重復使用組件將提高目標芯片設計的成本效率。其他好處包括加快新芯片的上市時間，通過選擇真正需要的組件提高可擴展性，以及為加速器等專用芯片提供更多供應商選擇。 調查顯示，汽車半導體價值鏈中的大部分受訪者（61%）表示，通過混合搭配或樂高原理設計最佳芯片的靈活性是業(yè)界采用芯粒的主要動機。降低總運營成本和提高單個 IP 組件的產(chǎn)量被視為基于芯粒的設計的重要優(yōu)勢，但影響較小（19%）。 生態(tài)系統(tǒng)對于 Chiplet 的成功至關重要。這些生態(tài)系統(tǒng)促進了標準化，并營造了鼓勵 Chiplet 在不同垂直行業(yè)（例如數(shù)據(jù)中心和汽車）采用的環(huán)境。 UCIe 標準是標準化領域最重要的進步之一。自 2022 年 3 月發(fā)布第一個標準 (UCIe 1.0) 以來，我們成立了一個汽車工作組，為標準的修訂做出了針對汽車的貢獻。 除了標準化之外，新興生態(tài)系統(tǒng)在促進其采用方面也發(fā)揮著作用。例如，由獨立納米電子研發(fā)中心 Imec 贊助的汽車芯粒聯(lián)盟聚集了 50 多家汽車半導體價值鏈參與者，討論和交流汽車芯粒設計進展的想法。 Chiplet 技術尚屬新興技術。OEM 必須考慮使用 Chiplet 的挑戰(zhàn)，尤其是在考慮系列部署時。 汽車就緒性（Automotive readiness）：為了滿足汽車就緒性，芯片設計必須滿足所有必需的設備和制造規(guī)范（例如 AEC-Q100 和 IATF 16949），并能承受惡劣環(huán)境，包括振動和溫度。與汽車制造相比，數(shù)據(jù)中心當前的用例提供了更穩(wěn)定的環(huán)境和更少的挑戰(zhàn)。 互連標準化（Interconnect standardization）：如前所述，生態(tài)系統(tǒng)參與者應考慮制定一個共同的標準，以便可以組合設計。目前，行業(yè)內的大型參與者正在組建不同的聯(lián)盟和標準。一個全球性的、被廣泛接受的標準對于實現(xiàn)樂高原則的理念至關重要。 采用新的開發(fā)模式和開放性（Adoption of new development paradigms and openness）：為了確保成功采用芯粒，價值鏈上的各參與者（知識產(chǎn)權、代工廠、集成設備制造商和封裝）可以尋求新的合作模式。雖然所有參與者都認為這是關鍵要素，但可能難以及時實現(xiàn)。這在一定程度上是由于知識產(chǎn)權方面的挑戰(zhàn)以及有關責任的懸而未決的問題，例如確定哪一方將負責芯片的整體可靠運行，而各方都提供其構建模塊。從驗證和確認的角度來看，價值鏈參與者認為混合搭配的“商店”芯粒創(chuàng)建方法是不切實際的。 價值鏈中的大多數(shù)高層領導預計，未來十年內，芯粒將得到更廣泛的采用。在調查中，48% 的行業(yè)領導者預計，汽車應用的芯粒將在 2027 年至 2030 年之間出現(xiàn)，而 38% 的行業(yè)領導者則預測將在 2030 年至 2035 年之間出現(xiàn)。只有 8% 的人預計該技術將更快地發(fā)展，即在 2025 年至 2027 年之間。考慮到汽車行業(yè)的整體增長和發(fā)展時間，這種延遲并不令人意外。 此外，預計芯片的過渡將是漸進的。雖然樂高原則很有吸引力，但第一批芯片設計很可能是同質的。在這些設計中，知識產(chǎn)權模塊將來自同一供應商，并使用專有或既定標準，例如外圍組件互連快速 (PCIe)。下一步很可能是使用來自外部一方的構建塊進行設計，這也有助于解決責任問題。真正的異構設計，具有真正的多供應商或多技術節(jié)點大小組合，很可能在 2030 年代中期及以后出現(xiàn)。 基于芯片的設計的重要性顯而易見，因為它們允許芯片在計算需求增加時繞過現(xiàn)有界限，同時保持成本效益。一旦芯片生態(tài)系統(tǒng)和標準得以實現(xiàn)，利益相關者就應該量化當前應用場景的收益和機會。 融合芯片和芯粒對整個汽車半導體價值鏈參與者的影響 SDV 的興起和供應鏈問題促使汽車 OEM 更深入地涉足半導體價值鏈。OEM 認識到，全面了解半導體技術以實現(xiàn)自動駕駛和信息娛樂領域的最先進功能對于保持競爭力至關重要。 這一趨勢對汽車半導體領域的所有參與者都有影響，尤其是 OEM、一級供應商、IDM 和無晶圓廠參與者。如前所述，采用融合芯片的決定很可能需要在未來兩到四年內做出，而實施芯粒的問題可能會在未來進一步解決。 汽車計算單元市場預計將從 2023 年的 960 億美元增長到 2030 年的 1480 億美元，復合年增長率為 6%（圖 4）。
具體而言，集中化和整合趨勢導致車身和底盤領域的增長有限，每年僅增長 1% 至 2%，動力總成單元甚至會略有下降。鑒于這些單元的功能將在區(qū)域控制器或集中式計算單元（如車輛運動計算單元）中實現(xiàn)，這些單元甚至可能會出現(xiàn)下降。ADAS/AD 和信息娛樂單元的復合年增長率分別為 22% 和 6%。前者是由越來越多的具有 L2+ 及以上功能（例如放手、放眼和有條件自動駕駛）的車輛推動的。 根據(jù)麥肯錫分析，預計2030年區(qū)域控制器的市場價值將達到30億美元，而集中式計算單元（如融合SoC和車輛運動計算單元）的市場價值將達到80億美元。 一、對原始設備制造商的影響 在決定是否采用融合 SoC 時，OEM 應該考慮以下具有戰(zhàn)略意義的領域： 軟件專業(yè)知識。是否有足夠的專業(yè)知識和對這兩個領域的軟件架構的控制來滿足集成需求？ ADAS/AD。應該支持什么級別的自動駕駛，融合 SoC 上應該承載什么樣的功能？ 治理。信息娛樂和 ADAS/AD 小組是如何設置的？協(xié)調開發(fā)和發(fā)布時間表的可行性如何？ 采購策略。從同一家供應商采購 ADAS/AD 和信息娛樂芯片是否會妨礙任何戰(zhàn)略采購決策和供應鏈彈性主題？ BOM 與總擁有成本經(jīng)濟性。BOM基礎上可以節(jié)省多少成本？從總擁有成本角度考慮，并考慮投資頭幾年的要求（例如新的開發(fā)模式和新的工具），商業(yè)案例是什么樣的？ 關于芯粒，有三種可行的做法：首先，OEM 可以簡單地依靠其 IDM 和無晶圓廠合作伙伴來推動芯粒的發(fā)展；其次，OEM 可以通過加入標準化機構（例如 UCIe）積極參與，并確保納入具體要求；第三，OEM 可以積極自行開發(fā)芯粒；然而，這種選擇需要大量資源，包括建立專門的專業(yè)團隊。 二、對一級供應商的影響 一級供應商可能會跟進融合 SoC 趨勢，利用融合 SoC 創(chuàng)建自己的集中式計算單元設計。他們可以使用這些設計向 OEM 展示潛在的技術和商業(yè)利益。幾家一級供應商正在實施這一戰(zhàn)略，為 2026 年至 2028 年即將開始的生產(chǎn)做準備。 一級供應商提供的芯片選項范圍與 OEM 類似。一級供應商可能希望盡早與 OEM 接洽，將他們對芯片的需求納入下一代集中式計算單元的開發(fā)路線圖中。 三、對代工廠、IDM 和無晶圓廠廠商的影響 雖然融合芯片的影響和興起很可能對代工廠、IDM 和無晶圓廠廠商產(chǎn)生有限的影響，但芯粒的相關性將引發(fā)更廣泛的問題，即最終制造的芯片的責任和“所有權”。除了技術主題之外，以下戰(zhàn)略領域可能最為相關： 生態(tài)系統(tǒng)。哪些生態(tài)系統(tǒng)和標準是成功的？哪些標準值得早期投資和參與？ 知識產(chǎn)權所有權。誰將持有用于制造最終芯片的知識產(chǎn)權“樂高積木”組合？ 責任。如果問題只出現(xiàn)在現(xiàn)場，誰將對芯片的最終功能負責？此外，該方是否負責制造芯片和處理互連，還是由提供知識產(chǎn)權的一方負責？ 發(fā)展。需要哪些額外的工具和方法來促進多供應商芯片生態(tài)系統(tǒng)？基于芯片的系統(tǒng)的設計驗證和確認流程需要如何改變？ 商業(yè)模式。定價和許可方案是什么樣的？誰會得到什么補償？ 未來，半導體將在集中式計算單元中發(fā)揮越來越重要的作用。因此，OEM 正在深入汽車半導體價值鏈，并更積極地參與組件、功能和規(guī)格的選擇。對融合芯片和基于芯片的設計技術、其優(yōu)勢和挑戰(zhàn)以及潛在考慮因素的深入了解將使整個汽車半導體價值鏈的利益相關者在下一代軟件驅動汽車中保持靈活性和競爭力。 |
