來源：內容由 微信公眾號 半導體行業觀察 （ID：icbank） 翻譯自「Semiconductor Engineering」，謝謝。
汽車電子市場正在蓬勃發展，它在老牌芯片製造商和新興公司之間掀起了一場全球爭奪戰。
不過，日益有目共睹的是，並非所有人都瞭解汽車與手機市場的差異。手機仍是半導體行業銷量最高的市場，但增長勢頭已趨平緩。相比之下，汽車電子產品市場的價值正在迅速上升，越來越多的芯片製造商正試圖佔得一席之地。
Semico Research公司總裁Jim Feldhan表示：“所有人都認為汽車行業將是下一個大市場。如果你在高端市場，比如英偉達、英特爾、AMD，以及其他從事高端計算的公司，他們一定會考慮自動駕駛，因為‘每年有超過1.2億輛汽車被生產出來。’總有一天，他們將通過自動駕駛系統擁有相當於多臺服務器的功能。這是很強大的計算能力。”
Semico預測，到2023年，汽車半導體市場將增長到730億美元。雖然完全自主的5級汽車上路可能尚需時日，但是3級特斯拉已經有了非常高端的計算能力。
Feldhan表示：“除此之外，自動駕駛系統中還有存儲器、模擬器件，以及大量的電源和傳感器產品。你會發現汽車之間彼此連網，而且正在嘗試接入智慧城市，並實現車輛之間的通信——所有著一切都圍繞著安全和交通管理。它們本質上就像花哨的手機，正在變成一個個移動熱點，人們再不需要呆在星巴克裡。”
對於汽車而言，信息娛樂仍然是一個重要區別。但隨著信息娛樂系統越來越多地被納入安全領域，無論是作為警報系統的一部分，還是作為其他部件的故障轉移，它們都受到與發動機控制電子設備同樣嚴格的標準約束。汽車OEM設定的標準是每十億臺15年內無故障，考慮到其中的大部分必須應用於極端條件，這一點尤其令人生畏。
不同之處
三星和蘋果等公司的很多手機芯片設計都佔據了設計的前沿。
Synopsys公司設計部的市場總監Mary Ann White表示：“對於大多數情況來說，它使用16nm，一直到最新、最前沿的工藝。很明顯，10nm甚至8nm的手機芯片現在已經出現，但是他們會立即遷移到finFET或最新的工藝節點，他們可能已經完成了5nm和3nm的流片。移動設備和汽車的最大區別在於，當涉及到手機和圖形驅動時，客戶想要的是最新最前沿的工藝。例如，在汽車行業，傳感器仍然是150nm工藝，沒有理由向7nm遷移。考慮到汽車設計需要大量冗餘，設計尺寸和麵積不會產生太大的影響，並不像在手機上那樣令人擔憂。”
在手機世界中，設計通常達到3GHz，頻率和速度是一切。在汽車中，頻率差別很大。但至少在一個方面，這兩個世界開始融合。White表示：“現在，你正在把非常低頻的器件帶到像手機一樣的設備上，因為你現在正在製造連接5G網絡的汽車。所以汽車突然變得像手機一樣。”
二者之間最大的不同是電壓。在移動應用中，電壓必須非常低，以此提高電池續航能力。White表示：“1.8V是一種延伸，但人們肯定還想降到0.5V……相反，汽車內部總是存在高電壓，而且許多汽車半導體器件仍然有很多模擬電路，因此器件必須在更寬的範圍內正常運行。”
汽車芯片也必須在很寬的溫度範圍內工作（-40°C ~ 155°C，而手機器件是0 ~ 40°C），並且它們必須持續使用至少15年，而手機的壽命不到3年。
圖1：汽車IC需求 vs 手機IC需求 （來源： Synopsys）
此外，汽車芯片的故障率需要顯著低於手機芯片。White表示：“手機供應商要求故障率低於10%，而ISO 26262則差不多要求質量保證10年，但我們現在看到的是，客戶想要15 ~ 20年內故障率低於10億分之1（1 DPPB）。你的手機關機重啟無關緊要，因為你不會受傷。但是想象一下你的汽車重啟的後果，那是不可能的。”
空曠而又崎嶇的道路
儘管如此，移動電子產品領域的機遇正在趨於平緩，而汽車領域的機遇正在擴大。
2004年，工廠只給不到50%的汽車配裝了電動座椅，只有四分之一的汽車裝有安全氣囊。政府法規推動了今天安裝在車輛中的安全相關功能的採用。
今天，電子/電氣（EE）系統的內容正在急劇增加，但對魯棒性和完美性的要求要高得多。
圖2：工廠配裝設備的採用率增加。（來源：Semico Research）
Semico公司的Feldhan表示：“如果你在生產消費類產品，正在設計它，如果它存在小缺陷，你就會對其進行改善，然後會在6 ~ 8個月內推出下一代產品。但這在汽車行業行不通。汽車行業的設計週期要長得多，而且必須完美無瑕。而且，當你解決了所有那些難題的時候，那麼產品通常會在那裡停留很久，這也意味著你必須支持這個設計很多年。如果你在消費電子行業，幾年之內你就會淘汰掉有缺陷的部件，因為此時很可能有很多部件已經超越了它。”
最重要的是，消費者希望汽車連接的安全性、可靠性和高性能與他們在家中或辦公室的連接相同，人們正在開發一些創新方法來實現這一目標。例如，Marvell正在開發用於車輛內外的同步雙頻Wi-Fi，其基礎是連接支持芯片，他們還正在構建模塊，例如1000BaseT以太網 PHY，支持802.11ac和802.11p的WiFi設備，以及藍牙PHY和安全千兆以太網交換機。
Marvell公司連接業務部門技術營銷總監Avinash Ghirnikar表示：“當我們在汽車中引入WiFi /藍牙組合時，我們率先推出了移動熱點使用案例。然後我們通過WiFi引入後座娛樂系統。客戶希望在安全性、可靠性和速度方面擁有與在家中和工作時相同的體驗。他們最新最好的智能手機（擁有802.11ax）在家庭和辦公室都很出色，但當他們把它裝進車裡時，速度慢得就像烏龜爬。為什麼會這樣？這便是802.11ax將扮演關鍵角色的原因之一。在汽車環境中，提供無縫WiFi體驗是非常具有挑戰性的。路上有很多車，而你必須在汽車駕駛室內處理這些事情。這就是802.11ax要解決的問題。”
現代化的汽車
甚至傳統的汽車IC設計也在改變。
西門子Mentor事業部汽車營銷總監Andrew Macleod表示：“如果我們看看微控制器，它可能是傳統上體積最大、最複雜的芯片，就可以看到車輛周圍約有100個ECU，每個ECU都有一個微控制器，它可能有16MB的閃存。其中一些芯片嵌入了flash、通信外設、CAN總線、以太網——芯片通常是單核心。世界上可能有五六家IC公司在設計零缺陷芯片方面非常專業，並且具有設計規則檢查和測試方法，以適當的缺陷率生產這些部件。這是我們在過去15年裡所看到的，而且這一點已經被充分理解。新世界是由汽車的大趨勢推動的，即自動駕駛和電氣化。我們看到了從帶有微控制器的100 ~ 120個ECU向大型控制器的轉變，這在設計上是完全不同的挑戰。這意味著，現在我們不再關注相對簡單的微控制器芯片，而是使用AI芯片、GPU和ASIC來管理大規模計算和低功耗要求，事情正在朝相反的方向發展。”
這增加了傳統汽車供應鏈的複雜性。芯片製造商將芯片賣給一級供應商，一級供應商將芯片集成到模塊中，然後將模塊賣給汽車製造商。
MacLeod表示：“這意味著我們必須加快開發這些芯片的速度。突然之間，供應鏈正在努力尋求合作，因為我們減少開發時間的唯一方法是在模擬器中運行一些IP，在晶圓廠造出芯片1年以前編寫軟件。你可以在模擬器中擁有整個SoC或特定IP的一部分。例如，你可以將摹擬的傳感器數據（尤其是用於自動駕駛汽車的傳感器融合芯片的數據）輸入模擬器。然後，你可以輸出到某個模擬車輛行為的工具。因此，即使沒有芯片，你也可以測試IP、測試算法，看看它對傳感器數據的反應，並實際看到車輛的動態響應。這對供應鏈來說是巨大的挑戰，因為汽車製造商現在正在設計自己的IC。特斯拉曾多次公開談論過這個問題。雖然有些一級供應商正在設計IC，但他們也必須更多地參與到軟件中。大陸汽車收購Elektrobit就是一個很好的例子。此外，IC公司現在正在做ECU。”
一個懸而未決的問題是供應鏈中的每個參與者如何增加價值。
MacLeod表示：“合作的模式將成為前進的方向。我們如何在既互為競爭對手又互為客戶的公司之間共享知識產權？這該如何管理？”
不同的世界
汽車設計最佳實踐和成本控制是整個半導體行業正在進行的工作。
Cadence定製IC & PCB部門高級總監Ian Dennison指出了一些需要考慮的變化。其中一項涉及可靠性，最佳實踐是在預期15年的汽車模擬和數字器件使用壽命中減少互連電遷移和晶體管老化。但是，在車輛的使用壽命期間，IC仍然有可能失效，這可能是由於車輛的老化，可能是由於潛在的製造缺陷，也可能是由於車輛遇到了異常的熱應力或電磁干擾。
Dennison表示，無論什麼原因，IC必須能夠檢測併發出故障信號，以便採取可能挽救生命的糾正措施，如切換到備用功能，或將車輛轉移到故障安全模式。為了能夠在現代汽車市場做生意，半導體供應商需要對其IC進行ASIL評級，以評定他們的故障檢測覆蓋範圍。
對邏輯電路的故障檢查通常是通過軟件診斷、LBIST / MBIST，以及三重投票觸發器來實現，但是對於模擬電路，通常需要一個專門的芯片檢測程序，這需要對模擬功能有深入的瞭解。這為模擬模塊增加了相當多的設計時間和空間。自檢芯片的設計具有自動化功能，但在ASIL過程中也有手工步驟和專業判斷要求。最終，半導體供應商需要與ISO 26262 / ASIL審核員坐下來處理證據。實際上，審核組織也在IC設計過程中提供諮詢服務。
此外，半導體公司需要了解其汽車客戶。Dennison 表示：“例如，他們是否希望為ASIL D部件（最高評級）花費大量額外投資，或者他們是否會接受ASIL B部件，並通過IC複製和冗餘，從其審核員那裡尋求更高的ASIL評級？隨著行業將ISO 26262的設計推向主流，制定這些職責和降低成本的工作正在進行中。”
OneSpin Solutions公司技術營銷顧問Tom Anderson表示：“當汽車中的電子設備只是同步門上鎖/解鎖和車窗的中央控制時，沒有人會過於擔心故障，因為大多數問題都可以通過恢復到手動來克服，直到可以進行維修。電子儀表盤的可靠性要求提高了一個檔次，因為人們幾乎不可能駕駛沒有顯示的汽車。電子巡航控制對安全要求也有類似的影響，因為一些故障模式（如恆定加速度）可能非常危險。如今，用於危險檢測和平行停車等功能的先進駕駛輔助系統（ADAS）已經非常普遍。由於駕駛員開始依賴這種系統，它的可靠性和安全性都必須得到提高。”
這在自動駕駛汽車上尤其受到關注。
Anderson表示：“最近的撞車事故表明了現有技術的侷限性，也表明了司機想要把所有的控制權交給尚不完善的系統的意願。一些沒有按照製造商的指示一直使用手動控制的人已經付出了生命。雖然真正的自動駕駛汽車仍是未來的產品，但毫無疑問，許多消費者都希望汽車擁有這種能力，許多製造商正努力實現這種能力。作為回應，汽車電子產品開發人員比以往任何時候都更加關注可靠性和安全性，同時增加了信任（芯片和系統按照設計工作，沒有引入後門或木馬程序）和安全性（系統不能被外部攻擊和控制）的挑戰。”
需求處理
汽車和航空航天等市場特有的規則之一涉及到了需求的處理和跟蹤。
Breker Verification Systems公司首席營銷官Dave Kelf表示：“汽車ISO 26262標準詳細說明了‘系統的’設計和驗證流程，其中正式規定了個性化需求。然後，他們將具體的設計和驗證計劃要素納入個性化需求的驗證範圍，並反饋到原始計劃中。對於一切開發工作而言，這都是很好的實踐。眾所周知的V-Model展示了這個過程的本質，將概念需求分解為詳細的特性，然後將驗證計劃抽象出來，以允許根據高層次的覆蓋範圍指標對覆蓋範圍進行衡量。”
Kelf說：“這一過程正在變得自動化，新的驗證技術可以提供幫助。一切驗證工具必須在這些設計上承擔所需要的覆蓋範圍。確保所有引擎都正確使用，並且在這些引擎之間的覆蓋範圍指標被混合到一個可以根據需求進行衡量的水平，這需要一種可移植的、抽象的測試和覆蓋方法。這是一種新方法，非常適用於此目的，憑此，需求可以在可執行規範中詳細描述，然後將高級約束應用於此規範，以驅動每個驗證工具和流程階段的各個場景測試。最後就可以對Portable Stimulus規範中的抽象路徑覆蓋範圍進行衡量，提供ISO 26262要求的精確度量。需求能夠以可執行的規範方式進行編碼，覆蓋範圍直接應用於它們。”
結論
雖然有許多問題需要解決，許多方法需要探討，但是汽車IC設計已經開始與系統設計融合。
西門子Mentor事業部的Macleod 表示：“10年前的世界完全不同。今天，從IC的角度來看，你幾乎是在模仿ECU的某些部分。新IC的特性幾乎與ECU屬於一個類型，到處都是RTL和IP。系統設計和測試、IP、芯片投產前工作，這些在車輛架構、AUTOSAR（汽車開放系統架構）和機器學習算法等方面意味著什麼？我們會看到這些界限正在變得模糊，我們很有興趣目睹供應鏈如何應對這一點。汽車製造商想要弄清楚供應鏈如何更好地協作。OEM希望專注於車輛的一部分。他們可能不想設計每個芯片或每個ECU，但也許對於傳感器融合而言，他們確實想設計自己的定製芯片，並且他們希望一級供應商專注於其他方面。為了實現這一點，供應鏈必須進行協作，因為這些系統不能脫離自動駕駛汽車隔離運行。它們必須是系統的一部分。而且完成所有這些芯片投產前的工作並不是微不足道的任務。”
雖然前十大半導體公司中的幾家已經瞭解了ISO 26262，但其他一些公司正在轉向汽車行業。他們現在正試圖確定是否或如何遵守ISO 26262。
Synopsys公司的White表示：“你不一定非要遵守ISO 26262。這不像OEM廠商說你必須這樣做。但你最好還是遵守為妙。因為你需要展示工藝流程的可追溯性，以確保EE系統是安全的，不會對人類造成傷害。”
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